книги из ГПНТБ / Титов, Н. Д. Технология литейного производства учебник для машиностроительных техникумов

Растворимость газов в расплавах. Металлы и сплавы растворяют значительное количество газов в жидком и твердом состояниях. Расплав может насыщаться газами при загрузке в плавильную печь сырой, ржавой или покрытой маслом шихты, из воздуха, пода­ ваемого в печь для горения топлива, из влажного топлива, руды, флюсов и т. д., а также от длительного соприкосновения расплава с атмосферой печи, газы которой способны растворяться в жидком сплаве.

Растворимость газа в расплавах подчиняется закону Сивертса:

s = K V p i —ps,

где s — количество газа, растворенного в расплаве, см3/100 г, Ръ Pi — парциальные давления газа соответственно в окружающем пространстве и в сплаве; К — константа растворимости, зависящая от температуры.

Растворимость газа в жидком сплаве возрастает с увеличением его парциального давления над зеркалом сплава. С повышением температуры растворимость газа, не образующего с металлом химических соединений, увеличивается. Если газ образует с ме­ таллом химическое соединение, то с повышением температуры его растворимость уменьшается. Наибольшей растворимостью в чер­ ных сплавах обладают водород, азот и кислород. Водород в растворе находится в ионном состоянии, в чистом железе при 1550° С раство­ ряется 27,8 см3/100 г. Однако содержание водорода в стали обычно не превосходит 10—20 см3/100 г. Водород в стали и цветных сплавах является причиной образования пор, флокенов или трещин.

Кислород в жидких сплавах находится в виде окислов FeO, Мг.О, А1,03 и т. д. Форма, в которой в жидких сплавах присутст­ вует азот, точно не установлена, однако есть предположение, что в железоуглеродистых сплавах азот находится в виде нитридов железа, кремния, титана и других элементов.

Растворимость газов резко уменьшается с повышением темпе­ ратуры, поэтому при кристаллизации сплавов из них могут выде­ ляться газы. Считают, что наибольшей склонностью к образованию самостоятельной фазы (пузырьков) обладает водород.

Окись углерода растворяется в металлах незначительно, по­ этому предполагают, что в жидкой стали окись углерода образуется в результате химических реакций. Многоатомные газы непосред­ ственно не растворяются в металле, но они могут диссоциировать с выделением, например, водорода, который растворяется в металлах.

Образование газов при химических реакциях. К таким реакциям

Если реакция восстановления закиси железа углеродом не заканчи­ вается до заливки стали в форму, то она продолжается и в стали, залитой в форму, а пузырьки СО из-за высокой скорости охлажде­

202

ния стали в форме остаются в отливке, в результате образуются раковины.

При литье медных сплавов, вследствие недостаточной их раскисленности, может происходить восстановление окиси меди угле­ родом, входящим в состав покрытий форм:

CuO -j- С = Си + СО.

Эта реакция происходит наиболее интенсивно в зоне высоких температур — вблизи питателя и часто приводит к образованию ра­

также внедрения газов в отливку с поверхности газового потока. Инжекция воздуха происходит при течении жидкого металла через каналы литниковой системы. Движущийся металл может захватить воздух еще в литниковой чаше или воронке. Поэтому конструкция чаши должна обеспечивать не только отделение частиц шлака от металла, но и от пузырьков воздуха. Уровень металла*в чаше необ­ ходимо поддерживать максимальным, исключающим образование вихревых, воронок (см. рис. 82, а), способствующих засасыванию воздуха в стояк. Воздух и газы также будут засасываться через газопроницаемые стенки каналов литниковой системы в местах, где возможно разрежение (рис. 148) из-за большой скорости дви­ жения металла или из-за обтекания металлом острых углов.

Если пузырьки воздуха и газов, попавшие в металл, не задер­ живаются в шлаковике или других каналах литниковой системы, то они попадают в отливку, что вызывает образование в ней газовых раковин и пористости. Поэтому литниковая система должна быть заполненной, давление во всех ее местах должно быть положитель­ ным и больше давления газов в стенках ее каналов.

Внедрение газов в отливку с поверхности раздела металл—форма. При заливке металла происходит разложение газотворных веществ

203

формы с выделением паров и газов. Увеличение объема газов в по­ рах формовочного материала вызывает повышение в них газового давления. Поры в формовочном материале не являются изолирован­ ными, поэтому при избыточном давлении выделяющиеся газы уда­ ляются через форму в атмосферу. Таким образом, в форме, залитой металлом, наряду с тепловым режимом устанавливается также опре­ деленный газовый режим. Величина давления газов в порах форм и стержней зависит от скорости выделения и отвода газов, а также от объема пор, являющихся в данном случае емкостями и каналами, по которым движутся газы. В свою очередь, процессы газовыделення и газоотвода зависят от газотворности и газопроницаемости формовочных смесей.

Газовый режим формы очень влияет на качество отливки, в част­ ности, на возможность возникновения ужимин, пригара, вскнпа и на образование газовых раковин.

Проникновение газов из формы в металл. Источниками газов, выделяющихся из формы в момент заливки и при дальнейшем охла­ ждении отливки, могут быть:

1)воздух, заполняющий поры в форме и расширяющийся при нагревании;

2)влага, находящаяся в формовочной смеси и испаряющаяся, особенно при заливке по-сырому;

3)органические примеси, случайно попавшие в смесь пли вве­ денные в виде добавок (угля, связующих);

4)воздух, вытесняемый струей металла при заливке;

5)химические реакции на поверхности металл— форма. Выделяющиеся из формы пары и газы создают на поверхности

соприкосновения формы и металла повышенное давление.

Если сопротивление формовочной смеси движению газов от по­ верхности раздела металл—форма в глубь формы будет больше, то создаются условия для проникновения газов в жидкий металл и образования газовых пузырьков на его поверхности. По мере поступления газа в полость пузырька пз пор формы его размеры увеличиваются, и, наконец, наступает момент, когда под действием подъемной силы он всплывает. Если продолжительность всплыва­ ния газовых пузырьков будет меньше времени заливки формы, то газовые раковины могут не образоваться. Это возможно при малой скорости заливки. Однако всплывающие газовые пузырьки остаются в отливке при образовании корки затвердевающего металла. В этом случае возможно появление газовых раковин в отливке.

Проникновение пузырьков газа в отливку прекращается в момент образования достаточно прочной затвердевшей корки металла на поверхности отливки. Такая корка быстро образуется при изготов­ лении отливок из чистых металлов и эвтектических сплавов с узким интервалом кристаллизации. Причиной появления в отливках из этих сплавов газовых раковин чаще всего бывают пузыри газа, образующиеся в момент после начала заливки. В отливках из широ­ коинтервальных сплавов, затвердевающих с большой двухфазной

204

зоной (твердо-жидкой),. образующиеся пузырьки газа при всплы­ тии испытывают дополнительное сопротивление растущих кристал­ лов, а сплошная корка твердого металла в этом случае образуется иа поверхности формы позже. Поэтому при литье широкоинтерваль­ ных сплавов опасность возникновения раковин от сопротивления растущих кристаллов больше.

Меры предупреждения образования газовых раковин и пористо­ сти в отливках. Газовые раковины и пористость в отливках можно уменьшить только при соблюдении строгой технологической дис­ циплины на всех этапах изготовления отливки — от приготовления жидкого металла до заливки формы и затвердевания отливки. Меры по борьбе с газовыми дефектами в отливках разделяют на три группы.

К п е р в о й г р у п п е относят меры, предупреждающие насыщение сплава газами в процессе плавки. Большое значение имеет подготовка качественных шихтовых материалов, например 1 % ржавчины в стальной шихте вносит в правильный агрегат около 2,5 м3 газов на 1 т жидкого металла. Поэтому шихтовые материалы перед плавкой необходимо тщательно очищать от ржавчины, масла, влаги.

Для предотвращения насыщения сплавов газами при плавке в печи на поверхности зеркала сплава наводят слой флюса, а также применяют плавку в среде защитного газа, инертного по отношению к жидкому сплаву. При плавке сплавов для особо ответственных отливок шихту подвергают сушке или прокалке, а иногда вакууми­ рованию.

Плавку и заливку металлов и сплавов, применяемых для отли­ вок, в которых содержание газов должно быть минимальным, обычно производят в вакуумных плавильно-заливочных агрегатах. К этим металлам и сплавам относятся титан и его сплавы, молибден, спе­ циальные высокопрочные сплавы.

К о в т о р о й г р у п п е относят меры, предусматривающие дегазацию жидкого сплава вне плавильного агрегата перед заливкой в форму или в процессе заливки — это вакуумирование сплава в ковше, разливка в вакуумных установках, обработка сплава ультразвуком, а также продувка сплавов инертными газами, напри­ мер хлором, азотом, аргоном. Последний способ наиболее широко применяют при приготовлении алюминиевых сплавов.

Хлор, взаимодействуя с алюминием, образует газообразный хлористый алюминий А1С13. В пузырьки, пронизывающие жидкий сплав, диффундирует водород, растворенный в сплаве. Пузырьки, содержащие водород, всплывают на поверхность зеркала сплава, вынося водород из ванны.

На практике широко используют выдержку алюминиевых спла­ вов перед разливкой, при этом сплав медленно охлаждается и рас­ творенные газы выделяются из него. Затем сплав быстро нагревают до заданной температуры и заливают в формы. Этот способ удале­ ния газов называется вымораживанием. Однако количество газо­

2 0 5

вых раковин и пористости в алюминиевых отливках можно умень­ шить не только удалением газов из жидкого металла, но и с помо­ щью торможения этого процесса, например кристаллизацией ме­ талла под давлением 4—5 ат в автоклавах по способу акад. А. А. Бочвара и проф. А. Г. Спасского (см. раздел шестой, гл. II).

К т р е т ь е й г р у п п е относят меры, улучшающие качество формы. Главное внимание обращают на соблюдение направленного газового потока от отливки в форму. Большое значение имеет вывод газов через стенки формы и знаки стержней. Упрощенная схема газовых потоков в форме приве­

дена на рис. 149.

Для предупреждения образова­ ния газовых раковин в отливках необходимо принимать следующие меры:

1) увеличивать газопроницае­ мость формы и стержня;

2) снижать влажность формо­ вочной смеси;

3) увеличивать газопроницае­ мость формовочной и стержневой смеси;§

6) использовать формовочные и стержневые смеси с минималь­ ной газотворной способностью.

Следует отметить, что газовые раковины, образующиеся из-за некачественной подготовки формы, особенно часто встречаются в от­ ливках из чугуна и цветных сплавов. Отливки из стали меньше под­

§2. ТЕПЛОВОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ МЕТАЛЛА НА ФОРМУ

Впериод заливки, затвердевания и охлаждения металл отдает теплоту форме конвекцией, излучением и посредством теплопровод­ ности. Чем дольше протекает металл по определенному участку формы и находится в ней в жидком состоянии, тем сильнее прогре­

вается поверхность формы и тем медленнее остывает отливка. В результате нагрева формы на поверхности контакта металла и формы интенсивно развиваются тепловые, физико-химические и механическиепроцессы, которые проходят в период заливки и затвердевания металла. Вследствие этих процессов на поверхности отливки образуется пригар — трудно отделимый от поверхности отливки слой из металла, его окислов и частиц формовочной смеси

2 0 6

Доказано, что спекшийся слой пристает к отливке только при определенных условиях, а также вполне возможно получение на отливках легкоотделимого слоя пригара.

Легкоотделимый слой пригара содержит много окислов металла, до 15—20% стекловидного вещества и имеет аморфное строение, а трудноотделимый слой пригара — кристаллическое строение.

На появление химического пригара очень влияет присутствие в формовочной смеси окислов щелочных и щелочно-земельных ме­ таллов, образующих с закисью железа силикаты сложного состава с низкой температурой плавления. Эти силикаты могут проникать между песчинками, образуя прнгарную корку. Поэтому для умень­ шения химического пригара необходимо применять формовочные пески с минимальным содержанием вредных примесей — окислов щелочных и щелочно-земельных металлов.

Интенсивность образования пригара зависит также от состава газовой среды вокруг отливки. Поэтому создание определенной га­ зовой среды вокруг отливки является одним из средств борьбы с при­ гаром. Например, при литье чугуна, медных сплавов создание вос­ становительной атмосферы способствует устранению пригара. Для этого при литье чугуна в формовочную смесь вводят углеродистые добавки, например мазут, молотый уголь, при разложении которых под действием теплоты металла в форме образуется восстановитель­ ная газовая среда. При литье стали в форме создают окислительную среду, для чего в формовочную смесь добавляют марганцевую руду, пятиокнсь ванадия У.20 5 и др.

Чтобы облегчить отделение пригара от отливки, поверхности формы и стержней покрывают противопригарными красками. На­ пример, при изготовлении форм крупных стальных отливок приме­ няют краски на основе хромистого железняка, который должен

2 декстрина; воды до необходимой вязкости. Поверхность формы покрывают краской слоем от 1,5 до 4 мм. Формы сушат при 360— 380° С.

Для предупреждения химического пригара на отливках из чугуна и медных сплавов формы и стержни покрывают графитовой или коксографитовой краской. Добавка в краску графита или кокса предотвращает образование окислов на поверхности отливки. С этой же целью поверхность сырых песчаных форм для чугунных отливок опрыскивают мазутом.

Механический пригар образуется вследствие механического про­ никновения жидкого металла между песчинками на поверхности формы и стержней под действием напора жидкого металла в период его заливки и затвердевания, т. е. связкой пригоревшей смеси к от­ ливке служит сам металл. Механический пригар трудно удалить с поверхности отливки из-за образования прочной корки, состоя­ щей из формовочной смеси, пропитанной металлом (металлизация

208

формы или стержня). Эти отливки очень трудно обрабатывать, так как часто ломается режущий инструмент и обычными резцами пригар не может быть удален.

Образование механического пригара зависит от ряда факторов: свойств металла, его перегрева и плотности,, свойств формы и кон­ струкции отливки. Чем меньше вязкость металла и выше удельная теплоемкость, теплота кристаллизации и температура заливки ме­ талла в формы, тем больше опасность образования механического пригара. Для проникновения жидкого металла в поры формы тре­ буется определенный критический напор металла (высота столба). Металл в поры формы может проникнуть только, когда гидростати­ ческий напор превзойдет капиллярное давление металла в порах формы, зависящее от поверхностного натяжения его, угла смачива­ ния металлом песчинок, размера пор.

Также важным фактором является вязкость металла, зависящая от температуры металла. Чем ниже температура, тем выше вязкость. При заливке в форму поверхностные слои металла охлаждаются, резко увеличивается вязкость, затрудняется проникновение ме­ талла в толщу формы. В период заливки или непосредствен­ но после заливки проникновение металла в толщу формы не­ велико.

•Механический пригар на отливках образуется обычно через не­ которое время после заливки, когда форма и стержень подвергаются тепловому и механическому воздействию жидкого металла. В ре­ зультате усадки затвердевающего металла, химического воздействия окислов металла и участков формы, соприкасающихся с отливкой, создаются новые поры, несплошности и рыхлоты. В эти поры и про­ никает жидкий металл из центральных зон отливки через полузатвердевшие поверхностные зоны.

Если корка затвердевшего металла в форме образуется в первый период после заливки, то благодаря замедленной теплоотдаче она расплавится частично или полностью, н механический пригар на отливке увеличится. Поэтому механическим пригаром поражаются участки формы с затрудненной теплоотдачей, прогревающиеся до­ вольно быстро до высоких температур.

Механический пригар может образоваться вследствие недостаточ­ ной плотности форм и больших размеров пор между зернами песка. Чем слабее уплотнена форма, тем глубже проникает металл в поры формы и тем больше механический пригар. Чем крупнее песок, тем больше в нем пор, а следовательно, легче образуется механический пригар.

Механический пригар часто появляется на высоких отливках с большой относительной толщиной стенок. Внутренние углы и карманы высоких отливок, особенно в частях, расположенных внизу формы, очень подвержены механическому пригару.

Механический пригар иногда сопровождается более слабым или более сильным химическим пригаром в зависимости от условий. Таким образом, чисто механический пригар маловероятен.

209