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

Если скорость окисления металла отливки окажется больше скорости фильтрации образующихся силикатов, то на поверхности затвердевшей отливки образуется тол­ стый слой окалины, оттесняющий силикаты и пригарную корку от поверхности металла. Рыхлый вюститный слой окалины не обладает большой прочностью и потому пригарная корка в этом случае достаточно легко удаля­ ется с поверхности отливки при ее очистке.

Наконец, если к концу взаимодействия в пригарной корке сохранятся неокисленные прожилки металла, прочно соединенные с отливкой, мы получим 'наиболее неприятный химико-механический пригар, который уда­ лить с поверхности отливки часто не удается, и тогда отливку приходится браковать. Мы уже отмечали, что иногда прожилки металла собираются в порах формы в виде отдельных капель и не являются причиной трудно­ отделимого пригара. По мнению С. И. Попеля, такое явление наблюдается тогда, когда FeO обогащается БЮг и затвердевает в виде силикатного железистого стекла. Внутри этого стекла оставшийся неокисленным металл собирается в капли. Практически это явление обнаружи­ вается обычно при литье стали в песчано-жидкостеколь­ ные формы.

Сформировавшаяся пригарная корка при охлажде­ нии дает усадку, которая меньше усадки отливки. Это служит причиной возникновения между отливкой и пригарной коркой силового взаимодействия, определяемо­ го геометрическими характеристиками отливки. Так, на наружных выпуклых поверхностях будет происходить отрыв пригарной корки от отливки, на внутренних вогну­ тых поверхностях — сжатие пригарной корки. На плос­ ких поверхностях будет наблюдаться сдвиг пригарной корки относительно поверхности отливки и т. д. Более подробно силовое взаимодействие между отливкой и фор­ мой будет рассмотрено позже.

В практике литейного производства отмечается, что на одной и той же отливке могут быть участки без прига­ ра и с трудноотделимым пригаром. Чаще всего трудноотделимый пригар образуется на внутрен­ них углах отливки, между ее ребрами, в узких внутрен­ них полостях. Без пригара обычно получаются выпуклые и достаточно протяженные плоские наружные поверхно­ сти. Объясняется это различными условиями прогрева

160

стенки формы и проникновения окислительных газов в зону взаимодействия на различных участках отливки. Оказывает свое влияние и силовое взаимодействие. Все это показывает, насколько точно надо регулировать про­ цесс взаимодействия, чтобы получать стальные и чугун­ ные отливки без пригара во всех участках.

Какие же технологические рекомендации помогут нам получать стальные и чугунные отливки без пригара?

По мнению большинства литейщиков нельзя допус­ кать химического взаимодействия и фильтрации жидко­ го металла в поры формы. С этой целью рекомендуется:

— создание на стенке формы или стержня защитно­

го слоя; —- изготовление форм и стержней из химически

инертных, не смачиваемых жидким металлом, материа­

лов;

— изготовление форм и стержней из быстро спека­ ющихся в плотную корку материалов.

Защитный слой на формах и стержнях чаще всего создается формовочными красками. Для чугунного литья в формовочную краску вводят углеродистые веще­ ства: графит, молотый каменный или древесный уголь, молотый кокс, каменноугольный пек, а также вещества, содержащие углеводороды, — мазут, патоку и т. п. Раньше считали, что при сгорании этих веществ в ли­ тейной форме создается защитная газовая среда и окис­ ления железа чугуна не происходит. В настоящее время защитное действие этих веществ объясняется иначе. Так, например, А. Корц и К- Лемберг дают следующее объяс­ нение. Углеродистые вещества сначала подвергаются газификации и вспучиваются, закупоривая поры в слое краски и в стенке формы. Образующийся полукокс обволакивает минеральные частицы, а затем превраща­ ется в пленку пироуглерода. В итоге снижается смачи­ ваемость смеси жидким металлом и FeO изолируется от S i0 2 формы. Если пироуглерод успеет сгореть до прек­ ращения взаимодействия, то защитное действие прекра­ щается и на отливке образуется пригар. Последнее обыч­ но наблюдается на массивных чугунных отливках и на отливках из стали. Поэтому для стальных отливок не применяют формовочные углеродистые краски, а делают их из химически инертных, тонко измельченных, огнеу­ порных окислов, обеспечивая достаточную закупорку

161

пор стенки формы или стержня и замедление поступле­ ния кислорода к реакционной зоне.

Формовочные краски защищают отливки от пригара, если покрывают стенку формы или стержня достаточно толстым и плотным слоем, хорошо впитавшимся в по­ ры формы и не отслаивающимся от нее при нагреве. Б. М. Гайсин предложил график, показанный на рис. 66, для выбора необходимой толщины слоя краски на стерж­ нях под стальное литье.

Создать прочный слой краски на поверхности формы или стержня толщиной более 0,5 мм очень трудно. При толщине от 0,5 до 3—4 мм слой краски при нагревании растрескивается, отслаивается и осыпается. По мнению же Б. М . Гайсина хороший защитный слой краски дол­ жен иметь толщину более 0,5 мм. Очевидно именно в этом кроется объяснение того факта, что одни и те же краски на разных предприятиях дают разные результа­ ты. Там, где обеспечивают хорошее проникновение крас­ ки в поры формы и получение прочного защитного слоя необходимой толщины, там и отливки получают чисты­ ми без пригара.

Поверхностная защита может выполняться и иными способами. В частности, для получения в крупных чугун­

Рис. 66. График для выбора тол­ щины слоя краски ѵт на стержнях под

стальное литье

ных и стальных отливках узких криволинейных поло­ стей используют такой метод: стержень выполняется в виде сварного стального кожуха, играющего роль по­ верхностной защиты и обеспечивающего получение поло­ сти в отливке нужных размеров и конфигурации. Чтобы кожух не коробился при нагреве от залитого металла, его заполняют прокаленным песком или графитом. Стальная защита предохраняет от проникновения жидкого метал­ ла в поры засыпки, но с внутренней стороны кожух оки­ сляется и химическое взаимодействие с образованием

162

пригарной корки здесь не исключено. Поэтому предпоч­ тительнее засыпку делать из графита.

Сложность изготовления металлической защиты и неполная гарантия защиты формовочными красками за­ ставляют прибегать к изготовлению форм и стержней из химически инертных и не смачиваемых жидким ме­ таллом материалов. Так, для получения узких, доста­ точно прямолинейных, каналов в масивных отливках ис­ пользуют стержни, изготовленные из плотных графит­ ных блоков. Стенки форм массивных чугунных отливок выкладывают из шамотного кирпича, а стальных отли­ вок — из шамотного, магнезитового или хромомагнези­ тового кирпича в зависимости от химсостава стали.

В массовом производстве стальных отливок наиболее часто формы и стержни изготовляют из смесей, содер­ жащих пылевидный кварц или другие инертные пыле­ видные добавки.

Особо опасные места этих форм выполняют стержне­ выми вставками, изготовленными из шамота, хромисто­ го железняка, циркона и других огнеупорных материалов. Для чугунных отливок массового производства обычно ограничиваются подбором достаточно качественного кварцевого песка и вводом в смесь углеродистых до­ бавок.

Если формовочная смесь спекается в плотную корку, то фильтрация жидкого металла и поступление кислоро­ да в зону реакции замедляются или даже прекращают­ ся. Спекающиеся смеси образуют на отливках прочные «шубы», разрушение которых требует затрат труда. По­ этому такие смеси чаще применяют в крупном литье, где другие способы защиты от пригара менее эффектив­ ны. Среди спекающихся смесей в первую очередь следу­ ет упомянуть смеси из хромистого железняка и песчано­ жидкостекольную. Хромистый железняк при нагреве до 1000° С спекается, не давая усадки. Образующаяся из него корка оказывается очень плотной, хорошо защища­ ет металл от окружающей среды, сравнительно легко удаляется с отливок.

Песчано-жидкостекольные смеси очень быстро обра­ зуют легкоплавкие железистые силикаты, представлен­ ные при стальном литье стекловидными новообразова­ ниями. Кислород через стекловидный расплав проника­ ет к отливке с трудом, жидкий металл в этом расплаве

163

собирается в отдельные капли. Все это облегчает полу­ чение легкоотделимой «шубы». На чугунном литье ново­ образования представлены в основном фаялитом, поэто­ му жидкостекольные смеси на чугуне дают трудноотде­ лимый пригар (если нет защиты формовочными крас­

ками).

Из приведенных примеров видно, что борьба с прига­ ром за счет уменьшения фильтрации жидкого металла и снижения химического взаимодействия широко приме­ няется в практике. Но еще не всегда удается получить желаемый результат.

Другая группа литейщиков рекомендует вести борь­ бу с пригаром усилением процессов окисления металла.

железистых силикатов. По мнению авторов этого мето­ да в итоге получается легкоотделимая «шуба» даже в самых неблагоприятных случаях. Чтобы ускорить окисление и образование легкоплавких силикатов, в фор­ мовочную смесь вводят окислители и молотый железис­ тый шлак.

К сожалению, усиленное окисление металла отливки приводит к получению более грубой поверхности и сни­ жению размерной точности изделия, к образованию более толстой «шубы» и на ее удаление приходится затрачивать больше труда, особенно во внутренних по­ лостях отливок. Вероятно поэтому этот метод применя­ ется реже, через метод защиты от окисления и фильт­ рации.

До сих пор мы основное внимание уделяли образо­ ванию пригара и процессам, происходящим в стенках форм и стержней. Однако не меньшее влияние рассмат­ риваемое взаимодействие оказывает и на металл от­ ливки.

Плотный контакт металла отливки сначала с части­ цами формовочной смеси, затем с окислами и силиката­ ми при значительном концентрационном перепаде входя­ щих в их состав элементов приводит к появлению диф­ фузионных процессов. В ряде случаев диффузионные процессы дополняются процессами растворения и элек­ трохимического воздействия. В результате поверхност­ ные слои металла отливки изменяют свой состав и свой­ ства. Появляется литейная корка.

164

В ряде случаев процессы, влияющие на свойства ли­ тейной корки, оказывают нежелательное действие. Так, например, М . И. Балашов обнаружил, что на поверхно­ сти стальных отливок для вагоностроения часто появля­ ются трещины, если формы для них изготовляются из смесей, содержащих сульфитно-спиртовую барду. В пос­ ледней содержится до 6% серы, она при нагреве формы выделяется из смеси и растворяется в поверхностном слое металла отливки. В литейной корке ее содержание увеличивается с 0,015% до 0,4%, и сталь приобретает склонность к образованию трещин.

Нежелательно обезуглероживание стали и чугуна. По мнению В. Н. Иванова и А. В. Баранова, обезугле­ роживание наблюдается тогда, когда окисление металла идет медленно и образующаяся FeO успевает восстано­ виться углеродом металла. При быстром окислении по­ верхности отливки обезуглероженный слой з литейной корке не возникает.

Р. А. Микрюков, Ю. В. Ухин н И. В. Гаврилин уста­ новили, что при изготовлении отливок из марганцови­ стой стали наблюдается переход марганца из металла в форму. Содержание его в литейной корке снижается с 12 до 10%. Одновременно из литейной формы в отливку

вательно, эти процессы происходили достаточно быстро. Подбирая состав формовочной смеси или формовоч­

поверхность формы слой молотого ферромарганца и со­ держание Мп в литейной корке не понизилось, а наобо­ рот, возросло до 13,7%, содержание кремния при этом оказалось меньше 0,5%. Такое заранее планируемое влияние на свойства металла в литейной корке назвали поверхностным легированием отливок.

В чугуном литье часто применяют поверхностное ле­ гирование теллуром, который измельчает зерно и уплот­ няет металл отливки, способствует сохранению и образо­ ванию новых карбидов. Поэтому при нанесении на по­ верхность формы или стержня тонкого слоя теллуровой ■ краски в литейной корке отливок из серого чугуна хоро-

165

іпо сохраняется перлит и увеличивается плотность ме­ талла. При нанесении более толстого слоя теллуровой пасты на поверхности отливки получают слой белого чу­ гуна с высокой износостойкостью. Но теллуровая крас­ ка и паста легко смываются струей жидкого чугуна, и тогда легированный слой образуется там, где застрянет растворившийся в расплаве теллур.

Более стабильные результаты повышения износо­ стойкости чугуных и стальных отливок получаются при поверхностном легировании феррохромом. Для этого пользуются специальными пастами, составленными из достаточно крупных зерен феррохрома (0,6—0,2 мм в по­ перечнике) связанных жидким стеклом. По данным А. М . Михайлова между крупными зернами феррохрома легко фильтруется жидкий металл отливки и происхоходит частичное растворение легирующего элемента в основном металле. В пасту из мелких зерен феррохро­ ма основной металл проникает хуже, зато здесь идет процесс спекания частиц феррохрома.

Следует заметить, что жидкостекольная связка пас­ ты участвует в образовании легкоплавких силикатов и способствует прочному сцеплению частиц феррохрома с основным металлом. В этом случае мы по сути дела используем прием получения трудноотделимого легиро­ ванного пригара, который и выполняет роль износостой­ кой поверхности отливки.

Наконец, может использоваться метод изготовления двухслойной отливки. В этом случае стенка формы или стержня облицовывается требуемым легированным ме­ таллом. Поверхность облицовки обрабатывается флюсом, облегчающим диффузию между металлом отливки и ме­ таллом облицовки. Между ними появляется промежу­ точный слой, в котором за счет диффузии плавно меня­ ется состав металла и который обеспечивает прочное соединение облицовки с основным металлом. В самое по­ следнее время начали разрабатывать метод получения двухслойных отливок путем заливки сначала легирован­ ного металла, а затем основного металла отливки. Но это уже процесс, не использующий закономерностей вза­ имодействия металла с формой.

Таковы наши современные знания о взаимодействии металла с формой и способы их использования в практике изготовления отливок. Очевидно, что дальнейшее рас­

Ш 6

крытие закономерностей взаимодействия приведет к то­ му, что все больше отливок будет изготовляться со спе­ циальными поверхностными свойствами. Необрабатыва­ емые поверхности будут получать защищенными от коррозии; поверхности, работающие на трение,— с анти­ фрикционными или, наоборот, с фрикционными свойства­ ми; поверхности, работающие на износ — износостойки­ ми и т. д. Понятия о пригаре приобретут иной смысл и значение. Литейщики забудут, что когда-то отливки выбрасывались только потому, что их не удалось очи­ стить от пригара. Зато они будут хорошо знать, как ис­ пользовать процессы взаимодействия для повышения ка­ чества литых деталей.

на образование плен в отливках, «Литейное производство», № 3, 1968, А б р а м о в Н. П., С т е п а н о в А. А. Состояние воды в пес­ чано-глинистых формовочных смесях, «Литейное производство», № 12,

сформой, Сб. «Теория и практика процессов литья», 1967.

Ку р т ее в Э. Н ., Я к и м е ц В. Г. Газотворность органических

формовочных материалов, «Литейное производство», № 12, 1971.

сталью и чугуном, Сб. «Газы в литом металле», Наука, 1964.

167

А к с е н о в П . Н ., Т р у х о в А . П. Аналитический расчет зоны конденсации в литейной форме, «Литейное производство», № 5, 1972.

С п а с с к и й А. Ф., Р ы ж и к о в А . А. О процессе газообразо­ вания в сухих литейных формах и стержнях, «Литейное производ­

формы, «Литейное производство», № 7, 1961.

И в а н о в Д. П., К у з о в к о в В. К., М е д в е д е в Я. И. Газотворность формовочных и стержневых смесей, «Литейное произ­

водство», № 3, 1968.

М е д в е д е в Я. И. Влияние скорости заливки на газовый ре­ жим форм, «Литейное производство»* № 10, 1972.

К у м а н и н И. Б., К о з л о в Л. Я., С а м с о н о в В. И . У с­ ловия проникновения газов формы в металл и образования газовых

мосвязь параметров газовыделения смесей, «Литейное производство»,

газовых раковин в головках блока двигателя ДТ-54, «Литейное про­

микрогеометрии поверхности отливок, Сб. «Газы в литом металле», Наука, 1964.

И т к и с 3. Я., В а с и н Ю . П . Аналитическое решение задачи проникновения жидкого металла в поры формы, Сб. «Прогрессивные методы изготовления литейных форм», Челябинск, 1968.

и практика литейного производства», № 89, Уральский политехниче­ ский институт, 1959.

М а т у с е в и ч И. Q , К р е с т о в н и к о в А. Н „ Ш к л е н - н и к Я. И. Взаимодействие титана с огнеупорными окислами формы, «Литейное производство», № 10, 1968.

Д е м и д о в а А. А., Г у л я е в Б. Б. Взаимодействие тугоплав-

168

став пригара на отливках из углеродистой стали, «Литейное произ­ водство», № 10, 1966.

П р о х о р о в Н. М . Пригар при литье по выплавляемым моде­ лям, «Литейное производство, № 2, 1966.

Б е р г П. П. Формовочные материалы, Машгиз, 1963.

К у н и н Л . Л . Поверхностные явления в металлах, Металлургиздат, 1955.

В а л и с о в с к и й И. В., Б а г р о в А . А. Образование механи­ ческого пригара на отливках из высоколегированных сталей, «Литей­ ное производство», № 3, 1966.

виновым и кварцевым песком, «33 международный конгресс литейщи­ ков», Машиностроение, 1970.

В а с и н Ю. П. , С м о л и н А. Н., В а с и н а 3. М. , М е д в е ­ д е в а Г. И., Ш в е ц о в В. И. Механизм образования пригара на

стальных отливках в жидкостекольных формах, «Литейное произ­ водство», № 11, 1966.

М а р ч е н к о в В. Ф. Исследование причин образования хими­ ческого пригара на чугунных отливках и пути его устранения, Авто­ реферат диссертации, М ., 1965.

' Ч е р н о г о р о в П. В., К и м Г. П. , Н и к и ф о р о в А. П . Ус­ ловия образования и способ оценки пригара на отливках из углеро­ дистой стали, Сб. «Новые технологические процессы литейного про­ изводства», часть 1, М ., 1967.

169