Теория и технология литейного производства. Формовочные материалы и смеси

Исходя из технологии изготовления отливки, можно использовать два основных методы борьбы с пригаром:

1.введение противопригарных добавок в смесь. Этот метод наиболее эффективен в случаях борьбы с пригаром на наружной поверхности отливок, изготавливаемых в сырых песчано-глинистых формах;

2.использование противопригарных красок, припылов, обмазок. Этот метод эффективно применять в случаях борьбы с пригаром на внутренней и наружной поверхностях отливок, изготавливаемых в сухих формах.

5.1.Механический пригар

Этот вид пригара образуется вследствие проникновения расплавленного металла в поры формы. Учитывая то, что этот процесс является не механическим, а представляет собой комплекс фи- зико-химического взаимодействия расплава с материалами литейной формы (смачивание, капиллярное взаимодействие и т.п.), проф. И.В.Валисовский [19] совершенно справедливо предложил называть этот вид пригара не «механическим», а «металлизированным». Однако, учитывая общепринятую терминологию, мы в дальнейшем будем именовать этот вид пригара «механическим».

Для того чтобы возник механический пригар, металл должен внедриться в поры формы на глубину не меньше диаметра зерна формовочной смеси. При этом на поверхности отливки возникает сетка из металла и зерен формовочной смеси, удалить которую можно только вырубкой совместно с поверхностным слоем отливки. Механизм образования механического пригара можно представить следующим образом. Поступая в форму, жидкий металл соприкасается с еще холодными ее стенками и охлаждается с поверхности, в результате на поверхности отливки образуется затвердевшая корка. Толщина этой корки зависит от температуры заливаемого металла, температуры и теплоаккумулирующей способности формы и других факторов. Если отливка сравнительно тонкостенная, то теплоты, выделяющейся при последующей кристаллизации всей массы отливки, оказывается недостаточно для того, чтобы вновь расплавить первоначально образовавшуюся корку и снова обеспечить уже более длительный контакт жидкого металла со стенками формы. В этих условиях механический пригар образоваться не может.

Если же в равных условиях заливают крупную толстостенную отливку, то образовавшаяся вначале корка вновь расплавится под действием теплоты затвердевающей отливки и жидкий ме-

151

талл войдет в контакт со стенками формы. Однако внедрение его в поры (капилляры) формы начинается не сразу, поскольку формовочные материалы подбирают так, чтобы они не смачивались жидким металлом.

В этих условиях, как известно, возникает капиллярное противодавление Рк, противодействующее внедрению жидкости в капилляры (рис.1.12). Кроме того, проникновению металла будет препятствовать сравнительно низкая температура формы. По мере прогревания стенок формы из формовочной смеси выделяются водяные пары и газы, создающие в порах газовое противодавление Рг, которое также препятствует проникновению металла.

Когда же прилежащие к отливке слои формы нагреваются до температуры ликвидуса заливаемого сплава, проникновение неокисленного металла становится возможным. Для начала проникновения металла необходимо создать металлостатическое давление Рм, которое должно быть равно или превосходить по величине сумму капиллярного и газового противодавления, т.е. для образования механического пригара необходимо выполнить условие:

где Рм – металлостатическое давление в форме; Рк – капиллярное противодавление формы; Рг – газовое противодавление формы; Рф – давление газов в форме.

Металлостатическое давление, при котором начинается проникновение расплава в капил-

где hм и м – соответственно высота столба и плотность расплавленного металла; q - ускорение свободного падения.

Учитывая то, что большинство отливок изготавливаются в формах, имеющих выпоры или открытые прибыли, до минимума снижающих давление газов в форме (Рф), этим значением в (5.1) можно пренебречь. Значение Рг также относительно невелико, особенно при изготовлении крупных отливок. В связи с этим условие проникновения расплавленного металла в поры формы мо-

где 12 – поверхностное натяжение расплава; - краевой угол смачивания расплавом формовочной смеси; r - радиус пор формы или стержня.

Из уравнения (5.3) видно, что Рк зависит от свойств расплава и формы.

В холодной форме, если давление металла на стенку формы равно критическому, металл проникает в поры формы на глубину не более половины диаметра зерна, т.е. на доли миллиметра. При прогревании поверхности формы металл, находясь под критическим давлением, будет проникать в глубь формы по мере распространения изотермы, соответствующей температуре плавления металла.

Если формовочная смесь смачивается жидким металлом, то последний проникает (всасывается) в поры формы без приложения к жидкому металла внешнего давления. Проникновению

152

способствует неизбежное окисление металла при выплавке и заливке, поскольку оксиды смачивают формовочный материал. Связано это с тем, что оксиды металлов вступают во взаимодействие с оксидом кремния кварцевого песка с образованием легкоплавких соединений типа фаялита (2FeO SiO2), родонита (MnO SiO2), тефроита (2MnO SiO2) и др. С возникновением оксидных или силикатных легкоплавких фаз проникновение сплава в поры смеси существенно облегчается, так как повышается смачиваемость взаимодействующих фаз, что значительно увеличивает вероятность проникновения расплава в поры формовочной смеси.

Сплошное или частичное пропитывание выступающих частей формы или стержней называют металлизацией, а проникновение металла в отдельные сравнительно большие трещины и поры – просечкой.

Чтобы предотвратить механический пригар, прежде всего надо уменьшить размер пор в поверхностном слое формы. Для этого применяют мелкие пески или в крупные и среднезернистые пески вводят мелкие фракции, в том числе пылевидный кварц. Резко снижает механический пригар на отливках уплотнение формовочной смеси прессованием под давлением порядка 1,0-1,5 МПа. Наблюдающееся при прессовании увеличение плотности уплотненной формовочной смеси с 1400 кг/м3 (твердость по твердомеру 65 ед.) до 1600 кг/м3 (твердость 85 ед.) повышает критическое проникновения вдвое.

Для предупреждения механического пригара широко применяют различные покрытия – краски, пасты и натирки, поскольку они также уменьшают пористость поверхностного слоя форм и стержней. В противопригарные краски для стальных отливок рекомендуют добавлять сильные окислители, которые превращают металл, просочившийся между зернами формовочной смеси, в легкоотделимые рыхлые оксиды и тем самым предотвращают образование пригара. При получении крупных, преимущественно стальных отливок, для предупреждения образования механического пригара применяют спекающиеся смеси и покрытия из хромистого железняка.

Особо ответственные отливки изготовляют в формах, облицованных смесью из огнеупорных материалов с высокой теплоаккумулирующей способностью, например, хромомагнезита или циркона. Обладая повышенной охлаждающей способностью по сравнению с кварцевым песком, эти смеси уменьшают механический пригар, снижая глубину проникновения расплава примерно вдвое. Противопригарные краски, приготовленные из материалов с повышенной теплоаккумулирующей способностью, не оказывают охлаждающего воздействия на отливки ввиду незначительной толщины слоя.

Вкраски для отливок из чугуна и медных сплавов добавляют газотворные вещества (древесный уголь, каменный уголь, кокс, пек и др.). Газы, выделяющиеся при сгорании этих веществ, повышают газовое давление в порах смеси и препятствуют проникновению металла.

Впоследующих параграфах настоящей главы будут более подробно изложены основные методы борьбы с механическим пригаром на поверхности как чугунных и стальных отливок, так и отливок из цветных сплавов.

5.2.Химический пригар

153

Химический пригар возникает в результате химического взаимодействия отливки с материалами литейной формы. Возникает он, в основном, на поверхности отливок из сплавов с высокой температурой плавления. В отличие от механического пригара зерна песка в пригоревшем слое связываются главным образом продуктами химических реакций, протекающих при высоких температурах, преимущественно силикатами.

Процесс образования химического пригара разделяется на три условных этапа: оксиление поверхности металла; смачивание поверхности формы оксидами металла; образование соединений между оксидами металла и оксидами формы (образование промежуточного соединения, пригарного слоя).

На поверхность раздела металл – форма оксиды компонентов сплава поступают двумя путями: в небольшом количестве – в виде оксидов, растворенных в расплаве и образующихся во время выплавки и заполнения формы, а главным образом, вследствие окисления раскаленной затвердевающей поверхности отливки.

Образующаяся на поверхности отливок закись железа FeO имеет температуру плавления 13800 С, поэтому на поверхности даже закристаллизовавшейся стальной отливки она может находиться в жидком состоянии довольно долгое время. Оксиды железа хорошо смачивают кварцевый песок и под действием капиллярного давления легко проникают в поры литейной формы, вступая в реакцию с кремнеземом:

Образующиеся в результате этих реакций легкоплавкие силикаты фаялит (2FeO SiO2) и тефроит (2MnO SiO2) после затвердевания цементируют зерна песка в слой пригара. Чтобы предотвратить возможность взаимодействия закиси железа и марганца с кремнеземом, на поверхность формы наносят высокоогнеупорные покрытия, инертные к образующимся оксидам металла. Основные пути предупреждения химического пригара: предохранение металла в форме от окисления; создание между поверхностью отливки и коркой пригара пленки оксидов оптимальной толщины с целью получения легкоотделяемого пригара; применение покрытий и формовочных материалов повышенной огнеупорности и химически инертных к металлу и его оксидам.

5.3. Термический пригар Термический пригар возникает вследствие оплавления материала формы под влиянием те-

плоты залитого металла и представляет собой спекшуюся массу формовочной или стержневой смеси. В простейшем случае спекание может произойти за счет расплавления или размягчения отдельных недостаточно огнеупорных зерен (примесей), содержащихся в составах исходных формовочных материалов. В других, более сложных условиях, процесс спекания происходит в результате взаимодействия различных, иногда весьма огнеупорных компонентов смеси и образования при этом новых легкоплавких соединений. Такой пригар большей частью легко отстает от поверх-

154

ности отливок в виде толстой «шубы», но отливка имеет неровную серую поверхность с точечными включениями нерасплавившегося кварца. Оплавление формовочного материала сопровождается газовыделением и образованием поверхностных газовых раковин. Для предупреждения термического пригара применяют смеси, припылы, краски и пасты, включающие высококачественные кварцевые пески различной зернистости или материалы высокой огнеупорности: циркон, дистенсиллиманит, корунд, хромомагнезит и др.

5.4. Противопригарные добавки в формовочных смесях Многолетний опыт работы литейных цехов показывает, что устранение пригара на поверх-

ности чугунных отливок достигается введением в состав формовочной смеси углеродистых добавок. До недавнего времени существовало несколько гипотез противопригарного действия углеродистых добавок. Согласно одной из них выгорающие углеродистые добавки способствуют образованию газовой прослойки или газообразных продуктов термического разложения добавок на поверхности раздела «металл-форма», что уменьшает вероятность непосредственного контакта металла и формы и соответственно формированию пригара. Однако, исследованиями установлено, что максимальное давление газовой фазы на поверхности раздела металл-форма составляет обычно менее 25% давления, необходимого для уравновешивания металлостатического давления (Рм). Поэтому защитное действие газовой прослойки, если и проявляется, то лишь в микрообъеме, и не оказывает преобладающего влияния на предотвращение пригара.

Согласно другой гипотезе, продукты термического разложения углеродосодержащих добавок образуют восстановительную атмосферу на поверхности раздела металл-форма, исключая появление оксидов железа и легкоплавких ферросиликатов и формирование химического и механического пригара. Однако исследованиями установлено, что присутствие даже следов кислорода на поверхности жидкого чугуна поддерживает окислительные условия, несмотря на присутствие значительного количества восстановительных газов в поверхностном слое полости формы, образующихся в результате сгорания углеродосодержащих добавок. В связи с этим данный механизм нельзя считать обоснованным в процессе устранения пригара на чугунных отливках.

На наш взгляд, главным фактором чистоты поверхности чугунных отливок является наличие в поверхностном слое плотности формы тончайшей пленки «блестящего» углерода (пироуглерода) – продукта термического разложения углеродосодержащих добавок, который служит препятствием образованию ферросиликатов и не смачивается жидким чугуном. Формирование «блестящего» углерода определяется двумя главными факторами – природой летучих углеводородов и температурой их термического разложения. Из исследований, связанных с расщеплением продуктов нефтепереработки, известно, что наибольшей склонностью к образованию «блестящего» углерода обладают высокомолекулярные ароматические углеводороды.

Для оценки противопригарных свойств различных углеродистых материалов используется метод ускоренного определения выхода «блестящего» углерода или пиролитической способности материала. Этот способ основан на определении массы мелкокристаллического углерода, осаждающегося из газовой фазы противопригарного материала, нагретого до температуры 8500 С.

155

Количественное определение выхода углеродистых образований с различных противопригарных добавок и формовочной смеси определяется с помощью приборов, представленного на рис.5.1.

Рис. 5.1 Прибор для количественного определения продуктов пиролиза

Прибор для анализа состоит из 40-миллиметровой кварцевой трубки 1, заполненной кварцевой ватой 2, и кварцевого тигля 3 для испытываемой навески. С одной стороны трубка соединяется с тиглем с помощью шлифа 4, в другом конце имеется 5-миллиметровое отверстие для выхода газов 5. Для устранения пристеночного эффекта при движении газов в трубке устанавливаются две кольцевые диафрагмы 6.

Для осуществления анализа прибор с испытываемой навеской помещают в муфельную печь на подставке 7, где он выдерживается в течение трех минут при температуре 850 0С. Затем прибор охлаждают в эксикаторе в течение 30 мин при температуре 20 30 С. Выход «блестящего» углерода из исследуемого материала рассчитывается по формуле:

где m2 – масса трубки прибора с адсорбированным углеродистым образованием, т.е. после опыта (г); m1 - масса пустой (до начала опыта) прокаленной трубки (г); а – масса навески анализируемого материала (г), обычно 0,1-0,3 г.

Противопригарные добавки могут вводиться в смеси как в виде порошка, так и в жидком состоянии. Распределение противопригарных добавок в песчано-бентонитовой смеси представлено на рис.5.2.

156

работы отечественных и зарубежных литейных цехов показал, что наиболее часто применяемой противопригарной добавкой в составе песчано-глинистых формовочных смесей является каменноугольный порошок, обладающий сравнительно низкой стоимостью, доступностью и эффективностью.

Как видно из данных, представленных в табл.5.2, при относительно одинаковом количестве летучих выход «блестящего» углерода может быть различным. Это связано с отличием структуры органической составляющей добавок, а не с их общей газотворностью, т.к. максимальное количество «блестящего» углерода дают соединения с непредельной структурой ароматического ряда. При этом выделение «блестящего» углерода происходит, как правило, постепенно, начиная с 250-3000 С, когда из углеродосодержащей добавки выделяется газовая фаза, из которой при температуре более 6000 С образуется «блестящий» углерод, оседающий на поверхности кварцевых зерен в виде тонкой пленки. «Блестящий» углерод, благодаря высокой адгезии к зернам кварца и несмачиваемости жидким чугуном, предотвращает проникновение его в поры формы и предотвращает тем самым возможность образования пригара.

Количество противопригарной добавки в смеси прямопропорционально выходу «блестящего» углерода. Так, например, если сравнить каменноугольный порошок и гидрофобизатор, то для одинакового выхода «блестящего» углерода расход последнего в смеси должен быть в 3,5-4 раза меньше, чем угля. При этом следует учитывать, что избыток «блестящего» углерода в форме может привести к нежелательным последствиям, например, образованию «складчатости» или, как это указано в иностранных источниках, «рыбьей чешуи» на поверхности отливок. Эта «рыбья чешуя» ни что иное, как отложившийся на поверхности отливки «блестящий» углерод, который достаточно легко удаляется в процессе очистки отливки.

Оптимальным вариантом следует считать применение углей с содержанием углерода око-

158

ло 87%, имеющих максимальные пластические свойства при температуре около 500 0С. В составе единых формовочных смесей следует использовать угли с 25-35% летучих и выходом «блестящего» углерода не менее 10%. Гранулометрический состав каменноугольной добавки должен примерно соответствовать зерновой структуре применяемого кварцевого песка.

Использование каменного угля в тонкоразмолотом (пылевидном) состоянии нерационально, так как при этом ухудшаются физико-механические и технологические свойства формовочных смесей (газопроницаемость, прочность при разрыве в зоне конденсации влаги), а также значительно возрастает скорость газовыделения. По зерновому составу применяемый каменный уголь должен соответствовать песчаной основе смеси. Для работы на автоматических линиях целесообразно применять угли с размером зерна 0,16-0,315 мм при содержании этих фракций в общем объеме противопригарной добавки 65-85%. При машинной формовке встряхиванием с подпрессовкой используют угли более тонкого измельчения (0,063-0,2 мм).

К недостаткам каменноугольной противопригарной добавки следует отнести низкий выход «блестящего» углерода, накопление в процессе оборота смеси мелочи, снижение газопроницаемости смеси при использовании дисперсного молотого угля, ухудшение санитарно-гигиенических условий работы. Для устранения этих недостатков практикуют применение композиций из углеродосодержащих материалов (жирного или коксующегося каменного угля, пека, битума, керогена, торфа и др.).

Известно также использование жидких углеродосодержащих добавок, например, мазута, гидрофобизатора. Однако эти компоненты в составе песчано-бентонитовых смесей вызывает обильное дымовыделение, что нецелесообразно по санитарно-гигиеническим условиям. К жидким противопригарным добавкам относят также битуминизированные эмульсии, газойль, петролеум и др. Преимуществами жидких противопригарных добавок являются повышение противопригарных свойств, улучшение условий автоматического дозирования в бегуны, повышение газопроницаемости смесей путем уменьшения содержания мелочи, улучшение санитарно-гигиенических условий, сокращение объемов складских помещений. К недостаткам жидких углеродосодержащих добавок следует отнести уменьшение эффективности их действия с увеличением толщины стенок отливок.

Содержание противопригарных добавок в составе формовочных смесей составляет: природного молотого каменного угля 3,0-6,0%, синтетических композиций 1,6-2,0%, жидких углеродосодержащих материалов 0,75-2,0%.

Предотвращение пригара на поверхности стальных отливок не может осуществляться введением в состав смеси углеродосодержащих добавок, т.к. использование в этом случае последних, во-первых, неэффективно, а, во-вторых, может привести к науглероживанию поверхностного слоя стальной отливки. Поэтому при использовании в технологии изготовления стальных отливок сырых песчано-глинистых смесей наиболее эффективными являются окислительные добавки, образующие при соприкосновении с расплавом, так называемый «легкоотделяемый» пригар [19,20]. В качестве таких добавок рекомендуется использовать хлориды, фториды, пятиокись ванадия, сульфат натрия и алюминия и др. Например, добавка в песчано-глинистую смесь 0,2-0,5% хлористого

159

натрия позволяет не только получать на поверхности отливки легкоотделяемый пригар, но и повышать прочность смеси. К аналогичным результатам приводит использование в качестве окислительных добавок 0,5-0,7% технического сульфата натрия, 0,4-0,5% гематитовой руды, 0,7-0,8% железистого шлака конверторного производства и др. оксидных материалов.

Механизм образования легкоотделимого пригара может быть пояснен с помощью схемы, представленной на рис.5.3 [20].

Рис 5.3 Схемы образования пригара

При наличии между металлом и пригарной коркой слоя оксидов железа достаточной толщины около 100 мкм, (рис. 5.3, а) образуется, так называемый, легкоотделимый пригар. В случае, когда толщина слоя оксидов меньше оптимальной (рис. 5.3, б), на поверхности отливки образуется трудноотделимый пригар. На рис. 5.3, в представлена схема перехода от оксидов железа к кварцу за счет образования раствора оксидов железа в кварце, фаялите, шпинелях или других более сложных фазах, очень тонкие пленки которых не всегда удается обнаружить даже методом рентгеновского анализа.

Легкое отделение пригарной корки от оливки происходит в результате образования толстой (около 100 мкм) пленки оксидов железа между поверхностью отливки и пригарной коркой. Это имеет место обычно на наружных поверхностях стальных отливок. При этом между оксидами железа и кварцем может образовываться стекловидная фаза, цементирующая песчинки. Самопроизвольное отделение пригарной корки происходит по слою закиси железа. В легкоотделяемых пригарных корках больше вюстита, чем в трудноотделяемых.

Самопроизвольное отделение пригарной корки обусловлено возникновением в пленке оксидов железа больших внутренних напряжений, превышающих ее прочность при разрыве. Этому же в значительной степени способствует и усадка отливки.

На практике часто наблюдают, особенно на крупном стальном литье, что с отливки легко снимается толстая металлизированная корка пригара, так как связь ее с поверхностью отливки в результате окисления и усадки разорвалась. Следовательно, если проникшие в поверхность формы прожилки металла окислялись полностью, то происходит легкое отделение пригарной корки от отливки.

Скорость образования оксидов железа на поверхности стальной отливки увеличивается при введении в формовочную смесь вышеуказанных окислительных солей (хлоридов, фторидов,

160