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

где ф — коэффициент газотворности, отнесенный к еди­ нице поглощенного тепла;

Ьг— коэффициент теплоаккумулирующей способно­ сти стенки формы;

т— пористость смеси в стенке формы; k — коэффициент газопроницаемости.

Эти расчеты также не вполне точны. Они не отра­ жают процесса роста и снижения р с ф во времени. По­ этому в особо ответственных случаях все еще приходит­ ся прибегать к экспериментальному изучению газового режима в стенках форм и стержней.

Газовые пузыри, внедрившиеся в расплав из стенки формы или стержня, всплывают над местом внедрения и могут успеть выделиться из расплава в полость фор­ мы. Но чаще они задерживаются верхней окислившейся пленкой расплава и образуют группу подкорковых рако­ вин в верхней части отливки. Газовые пузыри, внедряясь в затвердевающий расплав, обычно располагаются в ви­ де цепочки по пути всплывания или остаются там, где прорвали расплав, образуя местные подкорковые рако­ вины. Если же газ не в состоянии прорвать затвердеваю­ щую корку, он может прогнуть ее, образовав так назы­ ваемую газовую шероховатость. Таким образом, газы из стенок форм и стержней могут служить причиной об­ разования в отливках газовых дефектов, начиная от гру­ бых сквозных свищей при длительном вскипе и кончая газовой шероховатостью, но все эти дефекты распола­ гаются только там, где внедряются газы в металл и на пути их всплывания, что и позволяет отличать их от де­ фектов, образованных газами самого металла.

В последние годы начинает применяться метод из­ готовления отливок с помощью выжигаемых моделей. Модель из органического вещества не извлекается из формы, а постепенно выжигается расплавом в период заливки его в форму. В определенных случаях это позво­ ляет упростить процесс формовки и удешевить изготов­ ление отливки.

Выжигаемые модели чаще всего делают из пенопо­ листирола. Этот материал при нагреве выше 700° С пре­ вращается в газ, жидкие продукты и сажистый твердый

остаток. Газы состоят в основном из Нг, С Н 4 и СпНгпВыход газа составляет при 800° С около 165— 175, а при 1200° С — около 690—740 см3/г модели. Заливают такие формы сифоном, чтобы выделяющийся газ располагался над расплавом и не образовывал газовых раковин в от­ ливке. Газ препятствует прямому контакту металла с мо­ делью, образуя между ними газовый зазор, внутри ко­ торого возникает давление Рф.

По данным В. А. Озерова, В. С. Шуляк и Г. А. Плот­ никова давление газа в зазоре можно подсчитать с по­ мощью приближенного уравнения

ет значение только в начальный момент времени, т. е. при т<С 1с, можно для чугунного литья записать

=

2736 П к

Это давление необходимо преодолевать металлостатиче­ ским напором в литниковой, системе. Поэтому при литье по выжигаемым моделям стояки делают значительно вы­ ше, чем при обычных методах литья. Не рекомендуется делать в форме выпоры и наколы, доходящие до поверх­ ности модели, чтобы избежать засорения атмосферы це­ ха сажистыми образованиями. Таковы особенности га­ зового режима при литье по выжигаемым моделям.

КАПИЛЛЯРНОЕ И ХИМИКО-ДИФФУЗИОННОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ

Вторая сторона физико-химического взаимодейст­ вия металла с формой связана с химическими реакция­ ми и проникновением металла, частиц материала формы

142

и новообразований как в поры стенки формы, так и в по­ верхностный слой отливки. Эти процессы происходят при непрерывном изменении температуры металла и стенки формы, наличии сначала жидкого, а затем за­ твердевшего металла, твердой и частично оплавившейся стенки формы в присутствии газа переменного состава и вновь образовавшихся твердых и жидких веществ. Комплексное изучение этих процессов, благодаря нали­ чию такого множества переменных факторов, затрудне­ но. Поэтому для удобства рассмотрим отдельно разные стороны взаимодействия:

— химическое взаимодействие ничтожно мало и взаимодействие определяется особенностями фильтра­ ции жидкого расплава в порах стенки формы или стержня;

—химическое взаимодействие — основной процесс, фильтрация не оказывает заметного влияния;

—химическое взаимодействие и фильтрация жид­ ких веществ в порах формы проявляются совместно;

—возникающие процессы специально используют­

ся для придания особых свойств литым изделиям.

При заливке в форму все металлические расплавы покрываются слоем окислов. Однако при изготовлении отливок из сплавов с низкой температурой плавления, типа свинцово-оловянистых, цинковых, даже алюминие­ вых, химическое взаимодействие на этом обычно и за­ канчивается. Ведущим становится процесс фильтрации расплава в поровых капиллярах формы.

Чтобы представить картину проникновения расплава в поровые капилляры, Н. Н. Лященко, основываясь на теоретических и практических данных, предложил по­ казанную на рис. 62 схему упаковки песчинок в стенках форм и стержней. Для упрощения расчетов реальные песчинки в ней заменены шарами равного диаметра. Первым показан случай, когда металл отливки оттесня­ ется от поровых каналов формы и на отливке образуется газовая шероховатость. Вторым показано проникновение расплава в поры формы с образованием «нормальной» микронеровности высотой h\. Третьим — образование микронеровности критической высоты h\ — R n и четвер­ тым— проникновение расплава внутрь порового капил­ ляра с образованием на отливке так называемого меха­ нического пригара: слоя формовочной смеси, прочно

I

Рис. 62. Схема упаковки шаровых «песчинок» в стенке формы и образования поверхности отливки при различ­ ной степени проникновения расплава в поровые капилля­ ры формы

удерживаемого на отливке сеткой металлических про­ жилок.

Проанализировав геометрическое построение нор­ мальной картины проникновения расплава с образова­ нием микронеровности высотой hi, получим уравнение

Ѳ — краевой угол смачивания;

— коэффициент, характеризующий плотность упаковки шаровых частиц в стенке формы, равный в первом приближении 1,5.

Воспользовавшись известными соотношениями

144

Н. Н. Лященко на основании опытных данных реко­ мендует принимать следующие значения а2:

Когда расплав проникает в поровые капилляры дос­ таточно глубоко, для учета гидравлических и тепловых особенностей фильтрации применим методику, предло­ женную 3. Я- Иткисом и Ю . П. Васиным.

По закону Пуайзеля объем просочившейся в поры жидкости равен

Ткрит, при котором жидкий металл, протекающий по ка­

В полученном уравнении коэффициентом В учтена извилистость поровых капилляров, но не учтено измене­ ние радиуса порового канала по пути фильтрации. Что­ бы учесть непостоянство радиуса порового капилляра, надо принять какой-то закон изменения гѵапЧаще, всего

145

принимают, что капилляры в стенке формы расширяют­ ся и сужаются по синусоидальной кривой, образуя неточ­ ный капилляр. Его схема показана на рис. 63

Влияние окисленности сплавов на процесс фильтра­ ции наглядно показал С. И. Попель. Изготовив открытый с торца образец из зерен магнезии и погружая его в рас­ плавленное технически чистое железо, находящееся в тигле для поддержания постоянной температуры он обна­ ружил следующее. При достижении равновесного состо­ яния уровень неокисленного железа опустился в порах образца ниже уровня металла в тигле на 173 см, а окис­ ленное железо поднялось по порам образца над уровнем металла в тигле на 160 см. Угол 0 для неокисленного железа был равен 120°, а для окисленного — всего 45°.

Анализ полученных уравнений позволяет сделать вы­ вод: для получения отливок без механического пригара в отсутствии заметного влияния химического взаимодей­ ствия надо в первую очередь стремиться к уменьшению радиусов поровых каналов, снижению температуры за-

146

Лйвки и увеличению теплоаккумулирующей способности формы. Кроме того, надо добиваться уменьшения окис­ ления расплава. В практике для борьбы с механическим пригаром на отливках из легкоплавких сплавов наибо­ лее часто прибегают к изготовлению форм из смесей с более мелким песком. Применяется также окраска сте­ нок форм и стержней формовочными красками, закупо­ ривающими поровые каналы и снижающими смачивае­

мость формы расплавом.

Особенности взаимодействия, определяемого в ос­ новном химическими реакциями между металлом отлив­ ки и формой, рассмотрим на примере получения отливок из титановых сплавов. Титан при высоких температурах мгновенно вступает в химическое взаимодействие со все­ ми окислами других металлов и сам окисляется даже тогда, когда содержание кислорода в окружающей среде

ме образца титана с окислами стенки тигля, обнаружили, что в кварцевом тигле идет реакция 2Si02+ T i = T i02-f-

при 1100° С и потому испаряется. И здесь тигель полно­ стью разрушается, а титан окисляется.

А. А. Демидова и Б. Б. Гуляев анализировали про­ цесс взаимодействия титана с А120 3. Схема взаимодейст­

■ 2Ті0 2. У получаемых титанатов алюминия температура плавления около 1855— 1895° С . Они образуют вокруг ос­ татков титана достаточно плотную корку.

При заливке титана в графитовые формы, как уста­ новил Г. Л . Ходоровский с сотрудниками, образуется карбид титана, науглероживается металл отливки и стенка формы пропитывается расплавом по порам и тре­ щинам, если плотность стенки формы менее 1400 кг/м3.

Приведенный пример показывает, что для получения качественных отливок из химически активных сплавов необходимо добиваться быстрейшего прекращения хими-

147

ко-диффузионного взаимодействия. Для титановых силавов, в частности, приходится плавку вести в медном, интенсивно охлаждаемом, тигле в особо чистой по кисло­ роду среде. Первые порции расплавленного металла зат­ вердевают на стенке такого тигля, образуя защитный слой, который принято называть гарнисажем. Внутри гарнисажа уже без осложнений можно расплавить всю порцию титанового сплава. Для изготовления форм ре­ комендуются материалы с высокой теплопроводностью н теплоаккумулирующей способностью, защищенные от заливаемого металла плотным слоем достаточно инерт­ ных окислов или карбидов.

Изготовление отливок из железных сплавов, в пер­ вую очередь из сталей, сопровождается как фильтрацией жидких фаз, так и химическим взаимодействием. В ре­ зультате изменяются строение и свойства прилегающей к отливке части стенки формы, состав и свойства поверх­ ностного слоя металла отливки.

Изменившую свое строение и свойства часть стенки формы или стержня принято называть пригарной кор­ кой. Она может легко отделяться от отливки и тогда мы говорим о легкоотделимом пригаре, а корку называем «шубой». Она может прочно удерживаться на отливке, тогда мы говорим о трудноотделимом пригаре.

При изучении строения и состава пригарных корок обнаружены окислы железа, стекловидные и минерали­ зованные новообразования, претерпевшие изменения зерна кварцевого песка или других минералов (если смесь сделана не из кварцевого песка) и прожилки или корольки металла отливки. М . Н. Богдановский и В. И. Репкина при изготовлении крупных отливок из низ­ коуглеродистой стали в песчано-глинистых формах наш­ ли следующее строение «шубы»:

— первый от отливки слой представлен разобщен­ ными растрескавшимися и оплавленными зернами квар­ ца, поверхность зерен превращена в тридимит и окруже­ на стекловидными новообразованиями, между зернами —

148

Толщина слоев «шубы», пропитанных фаялитом, за­ висела от толщины стенки отливки и составляла:

что при толщине стальных отливок от 10 до 30 мм пригар

бурое стекло и отдельные кристаллики фаялита.

При толщине отливки до 10 мм пригар представлен одним слоем из силикатного стекла и скелетных крис­

таллов фаялита.

В формах из жидкостекольных смесей, кроме окис­ лов железа, фаялита, силикатного стекла и остатков кварцевых зерен, они нашли кристаллы типа акмита

(Na20Fe20 34Si02). В смесях на основе корунда (А120 3)

в пригаре обнаружен герцинит (F e0 -A l20 3), фаялит, же­ лезистое стекло с включениями FeO, остаточные зерна корунда серого и бурого цвета. В смесях на основе цир­ кона (ZrSiCh) — фаялит, силикатное стекло, зерна цир­ кона. Фаялит содержит включения фазы типа FeO Zr02.

или 2Fe0Zr02.

Интересно отметить, что даже в формах из корунда (А120 3) в пригарных корках находят фаялит (2Fe0Si02). Увеличение содержания S i0 2 в пригарных корках обна­ ружил в своих опытах и Н. М. Прохоров. При литье по выплавляемым моделям в стенке формы он нашел 88%

А120 3 и 10,8% S i0 2. В пригарной корке оказалось 47,8%

А120 3, 18,6% S i0 2 и 32,3% FeO. П. П. Берг к основным вновь образующимся в пригарной корке минералам от­ носит:

— в песчано-глинистой смеси при заливке углероди­ стой стали — фаялит 2 Fe0Si0 2 и гематит Fe20 3;

— в песчано-глинистой форме при заливке марганцо­ вистой стали— тефроит 2 M n0Si02, родонит M n O Si0 2 и

—в магнезитовой форме при заливке марганцовис­ той стали — форстеррит 2 M g0 S i0 2 и периклаз M gO;

—в хромомагнезитовой форме при заливке хромо-

149