книги из ГПНТБ / Николайчик Н.П. Повышение стойкости изложниц на машиностроительных заводах

ГАЗОВЫЕ РАКОВИНЫ

Газовые раковины иногда трудно отличить от уса­ дочных. Их образование связано с усадкой и выделе­ нием газов. Отличить их друг от друга можно либо пу­ тем специального исследования, либо имея определен­ ный опыт.

Газы, оказавшиеся в жидком чугуне залитой излож­ ницы и служащие потенциальной причиной образования раковин, можно разделить на следующие группы: 1 ) рас­ творенные в чугуне; 2 ) выделяющиеся из чугуна в ре­

зультате реакций; 3) выделившиеся из материала форм и стержней; 4) захватываемые струей металла во время заливки в форму; 5) образующиеся в результате приме­ нения некачественных бандажей.

1. Газы, растворенные в чугуне. Кислород, азот и в дород попадают в чугун в основном из шихты при ее пе­ реплаве; окислы (СО, С02, S 0 2, FeO и др.) растворяют­ ся во время выплавки. Растворение газов в значительной мере зависит от условий плавки. Процессы растворения носят эндотермический характер, т. е. протекают с пог­ лощением тепла, поэтому растворимость газов возраста­ ет с повышением температуры металла.

Известно, что металлы могут растворять кислород, азот и водород как в атомарном состоянии, так и в виде нитридов и гидратов.

В твердом чугуне азот находится в виде нитридов и, естественно, не выделяется из металла, водород внедрен в кристаллическую решетку и может выделяться в тече­ ние продолжительного времени. При переходе металла в жидкое состояние растворимость газов скачкообразно возрастает.

Из этого вытекает необходимость строгого соблюде­ ния технологии плавки чугуна. Источником растворения водорода обычно является недоброкачественная шихта, а также влага. Она может попасть в рабочее простран­ ство печи в виде гидратов с шихтой, топливом и атмо­ сферным воздухом. Под влиянием высокой температуры вода разлагается; часть водорода, оказавшегося в ато­ марном состоянии растворяется в чугуне.

В ванну с жидким чугуном добавляют присадки, ко­ торые могут понизить растворимость газов или задер­ жать их выделение во время охлаждения чугуна в фор­ ме. При плавке и заливке чугуна может быть ограниче­ но проникновение газов в жидкий металл.

130

Пока чугун находится в жидком состоянии и облада­ ет незначительной вязкостью, выделяющиеся газы могут свободно выходить из него. В процессе затвердевания, когда вязкость чугуна возрастает, а газы интенсивно вы­ деляются, они могут задерживаться в чугуне и привести к образованию газовых раковин.

Водород, выделяясь из чугуна в молекулярной фор­ ме, не обладает способностью к диффузии. Кроме того, он может реагировать с кислородом, образуя воду, ко­ торая способствует образованию газовых раковин.

Отсюда следует, что важнейшим мероприятием по предупреждению образования раковин из растворенных газов является предотвращение попадания влаги в ших­ ту и жидкий металл.

2. Газы, выделяющиеся в процессе химических реак ций. Химические реакции взаимодействия газов с ших­ той и между собой начинаются в процессе плавки и мо- • гут продолжаться даже после заливки чугуна в форму.

Причинами возникновения химических реакций в чу­ гуне являются окисленный лом, высокое содержание се­ ры и низкое содержание кремния.

По этой причине, а также в результате протекания реакции

FeO + С = СО + Fe

использование такой шихты приводит к получению газо­ вых раковин в чугуне изложниц. Этот вид газовых ра­ ковин легко отличить, так как они обычно поражают всю массу чугуна и представляют собой газовую порис­ тость.

жидкий, начинает расти и выходить из формы, а излож­ ницы получаются пористые и с большим количеством ра­ ковин. Переход на другую шихту устраняет рост чугуна. Причина роста чугуна — наличие большого количества окислов в жидком чугуне, т. е. кислорода. Кислород, на­ ходясь в виде закиси железа FeO, взаимодействует с уг­ леродом и способствует созданию газовых раковин. В та­ кого рода изложницах газовая пористость наблюдается

не только в верхней части отливки, но и распространя­ ется в глубину на значительное расстояние, поэтому та­ кие изложницы должны быть забракованы.

3.Газы, выделяющиеся из форм и стержней. Во вр

мя заливки чугуна происходит нагрев стенок форм и стержней; при этом образуются газы. При малой газо­ проницаемости смесей, а следовательно стержней и форм, выделяющиеся газы, двигаясь по пути наимень­ шего сопротивления, попада­ ют в жидкий чугун и спо­ собствуют образованию га­ зовых раковин в стейках из­

ложницы.

Источником газов может быть вода, находящаяся в свободном плн связанном состоянии в формовочных материалах. Под действием высокой температуры она превращается в пар, причем один литр воды при испаре­ нии образует 1700 л водяно­ го пара. Помимо этого, в по­ рах формовочных материа­ лов находится воздух, объем которого при повышении температуры значительно

увеличивается. Поэтому чем больше формовочные и стер­ жневые смеси содержат газотворных веществ, необходи­ мых для получения повышенной пластичности и проч­ ности, тем значительней должна быть их газопроницае­ мость.

При заливке жидким чугуном стенки формы и стерж­ ня быстро прогреваются; через некоторое время проис­ ходит газовый удар, сила которого возрастает с увели­ чением температуры заливки. Иногда происходит несколько слабых газовых ударов, однако для образова­ ния газовых раковин наиболее опасен первый удар.

Увеличение объема воздуха, испарение и диссоциа­ ция воды, а также выделение газов из связующих мате­ риалов сначала происходят на поверхности в месте со­ прикосновения формы с жидким чугуном; затем анало­ гичные явления протекают во внутренних слоях формы.

Лучшим методом борьбы с образованием раковин,

132

связанных с выделением газов из формовочных материа­ лов, является хорошая сушка форм и стержней. При этом удаляется наибольшая часть газов и повышается газопроницаемость формы. Заливка в плохо просушен­ ные формы вызывает «кипение чугуна», в большинстве случаев приводящее к образованию газовых раковин в верхней части изложницы. На рис. 70 представлены газовые раковины, образовавшиеся в глуходонной из­ ложнице, вследствие недостаточно просушенного стерж­ ня. Для быстрого отвода газов часто устраивают выпо­ ры необходимых размеров.

4. Газы, захватываемые струей чугуна во время за­ ливки в форму. Для предотвращения попадания газов со струей чугуна необходимо литниковую систему запол­ нять чугуном в течение всего периода заливки. Помимо этого, чугун должен поступать в форму равномерно.

Как известно, с изменением высоты столба изменя­ ется и скорость потока чугуна, достигая наибольшей ве­ личины у выходного отверстия стояка. Скорость на лю­ бом участке можно определить по формуле

V = V2gh,

где у — скорость движения чугуна, зависящая от вы­ соты;

h — высота;

g — ускорение (9,81 м/с2).

Обычно в начале заливки за счет возникающего по мере возрастания скорости падения струи чугуна вакуу­ ма происходит засасывание воздуха в литниковую си­ стему. Для исключения засасывания воздуха при даль­ нейшем движении жидкого чугуна следует избегать ост­ рых переходов сечения от стояка к питателю, участки перехода при изменении направления потока должны быть плавными и иметь соответствующие радиусы за­ круглений.

5. Газы, образующиеся при применении бандажей.

Устанавливаемые в формы для изложниц стальные бан­ дажи, соприкасаясь с залитым чугуном, могут вызывать выделение газов и образование газовых раковин. Источ­ никами газов могут служить окисные пленки и влага, осаждающаяся на бандажах. Заливаемый чугун, сопри­ касаясь с покрытыми влагой холодными бандажами, вы­ зывает бурное парообразование, способствующее появ­ лению газовых раковин.

133

Для предотвращения образования газовых раковин поверхность бандажей должна быть свободна от окис­ лов, гидратов и конденсированной влаги.

ЗЕМЛЯНЫЕ И ШЛАКОВЫЕ ВКЛЮЧЕНИЯ

Песочные и шлаковые включения появляются в ре­ зультате попадания формовочной смеси в литниковую систему из-за некачественного изготовления форм, неб­ режной отделки литниковой чаши, попадания шлака с зеркала металла в ковше, отсутствия шлакоулавлива­ ющих устройств в литниковых чашах и т. д. Наличие этих включений снижает стойкость изложниц. Предупре­ дить их появление можно в результате тщательного контроля качества набивки форм и стержней, отделки литниковой системы, продувки сжатым воздухом соб­ ранной формы. Не следует допускать попадания шлака вместе с заливаемым чугуном.

ЛИКВАЦИЯ В ИЗЛОЖНИЦАХ

При кристаллизации чугуна и охлаждении изложниц отмечается значительный градиент температур между наружной и внутренней поверхностями стенок. Поэтому в охлажденных изложницах наблюдается повышенная ликвация.

Наибольшие колебания наблюдаются в распределе­ нии углерода, серы и фосфора. Повышенное содержание углерода по высоте изложницы отмечается в верхней и нижней частях, а по сечению в середине толщины стенки. Кремний и марганец распределены практически

равномерно. Повышенное содержание фосфора отмеча­ ется в середине толщины стенки. Максимальное содер­ жание серы наблюдается вдоль всей внутренней поверх­ ности (0,14—0,15%), на наружной поверхности несколь­

134

ко меньше (0 ,1 1 —0 ,1 2 ), в середине стенки изложницы

0,09—0,1%, на расстоянии 20 мм от внутренней и на таком же расстоянии от наружной поверхности 0,07— 0,08%. Столь высокое содержание серы на поверхности изложницы можно объяснить диффузией ее из формо­ вочной краски.

Следует также иметь в виду, что в отработавших из­ ложницах распределение элементов практически не от­ личается от установленного для новых. Лишь на внут­ ренней поверхности в месте образования сетки разгара содержание углерода было значительно ниже среднего содержания в чугуне; по-видимому, это связано с окис­ лением углерода во время эксплуатации изложниц.

УЖИМИНЫ

Крупные связанные между собой частицы песка, оторвавшиеся от стенок форм и стержней под воздейст­ вием высокой температуры и движущего потока чугуна, обычно встречаются в виде наслоения оболочки метал­ ла с прослойками песка на поверхности изложницы. Та­ кие пороки называют ужиминами (рис. 71).

стенки, развивающимися под влиянием температуры за­ ливки.

Во время заливки чугуна происходит разогрев фор­ мы; при этом зерна кварцевого песка расширяются, а связующие, находящиеся между кварцевыми зернами (глина и др.), сжимаются. Через некоторое время рас­ положенные ближе к залитому чугуну слои смеси уже перестают расширяться, а более глубоко лежащие слои еще продолжают расширяться; это и способствует вдав­ ливанию наружных слоев в металл.

В зависимости от плотности набивки уплотнение по­ верхности форм может быть настолько большим, что формовочная смесь вздувается и поверхность формы растрескивается. Жидкий чугун затекает в трещины, что приводит к образованию ужимин. При работе только на свежих песках ужимины появляются чаще, чем в случае добавки к свежему песку отработанной формовочной

135

смеси. Это объясняется тем, что в отработанной формо­ вочной смеси часть связующего материала видоизмени­ лась и освободила между зернами кварца необходимый объем для расширения. Кроме того, близлежащие слои

136

кварцевого песка во время соприкосновения с расплав­ ленным чугуном превращаются в другую модификацию кварца-—тредимит, а тредимит мало расширяется при температурах ниже 600° С.

Таким образом, для устранения образования ужимин, особенно при отливке в сырые песочно-глинистые формы, нужно подбирать соответствующие составы формовочной смеси: чем больше в эти составы входит от­ работанной смеси, тем менее расширяются слои формы,

..............................ІІІІІПІІІІІІ

а

Рнс. 72. Схема образова­

ния ужимнн под влия­ нием образующихся при заливке газов (а), под действием теплоизлуче­ ния от металла (б) и в результате движущегося

потока металла (в):

соприкасающиеся с расплавленным чугуном, следовательно, тем менее вероятно образование ужимин.

В образовании ужимин большую роль играют газы, образующиеся в стенках формы, причем решающее влияние оказывает первый газовый удар, наступающий при заливке. Ряд исследователей считает этот газовый удар основной причиной образования ужимин. Так, Бьюканен утверждает, что единственной причиной обра­ зования ужимин является возникающий в формовочном материале водяной пар.

Схемы образования ужимин представлены на рис. 72. В том случае (рис. 72,а), если давление газа в формо­ вочном материале нижней полуформы превосходит сум­ марное давление, состоящее из давления воздуха, напо­ ра залитого металла и силы сцепления поверхностной

137

корки формы с нижележащими слоями, происходит от­ рыв части поверхностной корки и образование ужимии. В соответствии со схемой (рис. 72, б) образование ужимин вызывается расширением и вздутием формовочной смеси. В другом случае (рис. 72, в) волна металла вна­ чале коснется верхней части формы, а затем спадет. Из-за неравномерного прогревания наружный слой формы деформируется неравномерно, в нем возникают напряжения, а затем ужимины.

По данным Э. Кииппа, ужимины в фасонных отлив­ ках образуются по следующим причинам:

1. Неравномерное уплотнение формы, что обусловли­ вает неравномерную прочность и газопроницаемость, а следовательно и неравномерные давления газов и де­ формацию в стенках формы. Поэтому при использовании жирных глинистых песков основное внимание следует уделять равномерности уплотнения. Большой процент пыли в формовочной смеси также способствует образо­ ванию ужимии на толстостенных отливках.

2. Высокое содержание и неравномерное распределе­ ние влаги в формовочной смеси. Непросушенные литей­ ные формы в большей степени способствуют образова­ нию ужимии, чем высушенные. Недостаточная, неглубо­

ужимии, особенно при длительном простое готовой фор­ мы и сборке ее в горячем состоянии. Сухая форма обла­ дает большей газопроницаемостью, чем сырая. Темпера­ тура сушки должна быть достаточно высокой с тем, чтобы можно было удалить из глины кристаллизаци­ онную воду. Трещины, образующиеся в процессе суш­ ки формы и стержня, предопределяют образование ужимин.

3. Образование газов при заливке формы. Эти газы должны иметь возможность быстро выйти из поверхно­ стных слоев, подверженных опасности поражения ужиминами. Органические связующие материалы, сгораю­ щие при заливке, уменьшают склонность к образова­ нию ужимин. Газы, выделяющиеся из формы при залив­ ке, необходимо поджигать, так как при их сгорании возникает тяга и они лучше удаляются из формы.

4. Использование обгоревших при сушке форм и стержней всегда является причиной образования ужимин.

138

Образованию ужимнн можно противодействовать, применяя соответствующие меры при заливке. Литнико­ вая система должна быть устроена таким образом, что­ бы металл заливал форму равномерно и быстро.

Ужимины также могут образовываться в результате отслаивания ' формовочной краски от стенок форм и стержней. Особенно часто это отмечается при нанесе­ нии слишком толстого и неравномерного слоя краски. Отслаивание при заливке происходит в том случае, если степень теплового расширения засохшего слоя формо­ вочной краски и поверхностного слоя формы значитель­ но отличается друг от друга.

ПРИГАР И ЗАЛИВЫ

Пригар на изложницах образуется из-за недостаточ­ ной толщины слоя краски на форме и стержнях, низкого качества входящих в состав краски кокса и графита, не-

Рис. 73. Изложница с большим пригаром

достаточной прочности и кроющей способности краски, использования в формовочных смесях большого количе­ ства крупнозернистых песков.

В процессе заливки чугун может проникнуть в поры стенок формы, т. е. в пространство между зернами песка, в результате чего образуется металлический скелет,

139