Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Физико-химические основы литейного производства. Учебное пособие.pdf
обеспечения необходимой прочности связующее мелкозернистого напол-
нителя должно обладать достаточной адгезионной и когезионной прочно-
стью. На практике подобному условию отвечают необратимо твердеющие
связующие с параметрами кристаллической решетки, близкими к параметрам решетки формовочного материала.
В случае применения пылевидного кварца (маршаллита) связующими
могут быть вещества, образующие при твердении полисилоксаны (силиконы) или гели кремниевых кислот. Материал модели необходимо выби-
рать с учетом обеспечения хорошей смачиваемости связующим. Если адгезия связующего к зернам наполнителя превышает адгезию связующего
к поверхности модели (θ > 90°), то связующее под действием сил поверхностного натяжения и усадки втягивается в поры между зернами наполнителя, образуя на поверхности формы различные углубления.
Гель кремниевой кислоты является связующим для кремнезема. Связывающие свойства геля зависят от концентрации исходных растворов и
скорости коагуляции. Если скорость коагуляции будет превышать скорость релаксации напряжений, возникающих при изменении объема коагулянта, то образующиеся гели будут иметь трещины и пониженные механические свойства. Увеличение концентрации исходных растворов
этилсиликата повышает скорость гидролиза и уменьшает когезионную
прочность геля кремниевой кислоты.
8.6. ШОУ-ПРОЦЕСС И ТЕРМОРЕАКТИВНЫЕ СМЕСИ
При шоу-процессе используют приготовленный по обычной технологии гидролизованный раствор этилсиликата, отверждение которого завершается за 10–12 ч в тонком слое и за более длительное время в толстом
слое.
Прочность форм при шоу-процессе невелика и колеблется из-за
наличия трещин от 5–20 кПа в студнеобразном состоянии до 50–300 кПа
после сушки. Увеличение прочности в студнеобразном состоянии для
крупных стержней может быть достигнуто введением термореактивных
связующих (пульвербакелита, МФ-17, МФБ и т. д.).
71
Термореактивные связующие представляют собой неводные и вод-
ные органические материалы, способные под действием температуры изменять физико-механические и физико-химические свойства. По характеру затвердевания их делят:
1) на обратимо твердеющие термореактивные связующие (канифоль,
парафин и др.). Они не нашли применения в литейном производстве. Их
используют в качестве противопригарных добавок, компонентов разделительных смесей и модельных паст;
2) необратимо твердеющие термореактивные связующие. К ним oт-
носятся насыщенные углеводороды (органические кислоты и их произ-
водные, углеводороды парафинового ряда и др.), ненасыщенные углево-
дороды (олефины, алкены, фенилы, фенилены, винилы и др.), а также различные масла. Их особенность – способность полимеризоваться при
нагревании.
Полимеризация термореактивных связующих может происходить как
при участии кислорода, так и без него, а некоторых из них – только при
наличии определенных химических веществ, например эпоксидных смол.
8.7. ХОЛОДНОТВЕРДЕЮЩИЕ СМЕСИ
Холоднотвердеющие смеси (ХТС) позволяют получать форму и стерж-
ни без нагрева при выдержке на воздухе путем воздействия на отвердитель и
связующее внешними твердым, жидким или газообразным компонентами.
ХТС, в отличие от ЖСС, имеют меньшую пористость, большую прочность и, как правило, лучшую выбиваемость, а также легче поддаются регенерации. В общем случае в состав ХТС входят наполнитель, связывающая композиция и специальные добавки. Связывающая композиция
должна иметь два следующих обязательных свойства:
1) затвердевать под действием отвердителя без нагревания;
2) иметь высокую адгезионную способность.
72
Перечислим компоненты связывающей композиции и их технологические назначения:
1) связующее – является основой композиции. Затвердевая, оно как
бы образует мостики связи между частицами наполнителя, упрочняя этим
формовочные и стержневые смеси;
2) отвердитель – вызывает твердение связующего, но сам не обладает
вяжущими свойствами и не играет важной роли в затвердевании композиции. В тех случаях, когда отверждение имеет каталитический характер,
отвердитель называют катализатором;
3) регуляторы скорости при отверждении – служат для управлении
процессом отверждения, как правило, химически активны к компонентам
смеси;
4) специальные добавки – их вводят в ХТС для предотвращения поверхностных и газовых дефектов на отливках, пластификации смесей,
улучшения их выбиваемости и т. д.
Время отверждения составляет: для массового производства – 40–60 с;
для крупносерийного – до 10 мин; для мелкосерийного и единичного производств – до 40 мин. За эти периоды смесь должна обеспечить следующую манипуляторную прочность на сжатие σсж: 0,5–1,5 МПа – для стержней; 0,2–1,0 МПа – для форм. Так как прочность ХТС зависит от времени,
то её принято характеризовать величиной σ24 , достигаемой через 24 ч по-
сле приготовления смеси. В случае единичного и мелкосерийного произ-
водств σ24 составляет 2–4 МПа для стержней и 0,2–1,5 МПа для форм;
в случае крупносерийного и массового производств – 3–6 и 0,2–1,5 МПа
соответственно.
Иногда в ХТС связующее и отвердитель представляют собой один
компонент. В этом случае связующее называют двухкомпонентным.
Связывающие композиции делят на два вида – неорганические и ор-
ганические. Подобное деление обусловлено принципиальными различиями механизма отверждения связующих.
73
8.8. ВАКУУМНО-ПЛЕНОЧНАЯ ФОРМОВКА
Способ вакуумно-пленочной формовки (V-процесс) был разработан
в начале 70-х годов и с тех пор интенсивно развивается. Основной особенностью V-процесса является использование сыпучего огнеупорного
материала (наполнителя) без связующего для изготовления формы.
Качество поверхности, размерная точность отливок зависят от вида
наполнителя, его гранулометрического состава, формы зерен, влажности,
количества глинистой составляющей и т. д. При прочих равных условиях
лучшие результаты получаются при использовании тощих песков с содержанием глинистой составляющей не более 1 % и влажностью менее 0,2 %.
Это необходимые условия для обеспечения требуемого перемещения зе-
рен наполнителя относительно друг друга при виброуплотнении и для до-
стижения равномерной прочности по объему. Большую прочность форм
обеспечивают пески с различным гранулометрическим составом и угловатой формой зерен. Фирма Sinto Kogio (Япония) рекомендует следующий
состав наполнителя: песок КО2 – 70 % и песок КОО5 – 30 %. При литье
чугуна лучшие результаты дает использование песка КО1.
Возможность многократного использования наполнителя делает экономически обоснованным применение сравнительно дорогостоящих огнеупорных материалов (цирконовые, хромитовые, оливиновые пески и др.)
с высокими эксплуатационными характеристиками.
Большое влияние на качество отливки оказывают и герметизирующие покрытия, к которым предъявляют следующие требования:
– отсутствие токсичных газовыделений;
– плотное прилегание к модели и отсутствие разрывов при обтяжке;
– малая зависимость пластичности от длительности нагрева;
– малое термическое расширение (усадка) при нагреве;
– минимальное развитие процессов карбонизации и газификации
расплавленной пленки;
– небольшое поверхностное натяжение;
– хорошие клеящая способность и свариваемость при нагреве;
74
– отсутствие тенденции к слипанию при хранении;
– незначительное различие по толщине и ширине пленки;
– низкая стоимость.
Наибольшее распространение получили полимерные пленки EVA
(Япония), СЭВИЛЕН и МИРАВИТЕН (СНГ) толщиной 75–100 мкм. Ос-
нову указанных материалов представляет сополимер этилена и винилацетата (1:2).
При литье высокотемпературных сплавов для уменьшения шероховато-
сти поверхности отливок и устранения пригара рекомендуется красить фор-
му (пленку). Обычно краску наносят на поверхность пленки, соприкасаю-
щуюся с наполнителем, что позволяет избежать влияния толщины нанесен-
ной краски на точность размеров отливки. Оптимальная толщина нанесенного слоя краски – 10–30 мкм. При толщине до 5 мкм ухудшается качество по-
верхностного слоя отливки, появляется эрозия формы; при толщине свыше
40 мкм появляются газовые раковины; при толщине 110 мкм качество поверхности отливки резко ухудшается, краска при сушке отслаивается.
К краске предъявляют следующие требования:
– устойчивость к седиментации;
– отсутствие взаимодействия с полимерной пленкой;
– высокая адгезия к полимерной пленке;
– быстрое высыхание;
– отсутствие растрескивания и отслаивания;
– высокая огнеупорность;
– малый краевой угол смачивания металлическим расплавом;
– нетоксичность в жидком и газообразном состоянии;
– недефицитность и низкая стоимость компонентов.
Обычно краски состоят из четырех компонентов: наполнителя, связу-
ющего, растворителя, а также суспензионной составляющей (для поддер-
жания наполнителя во взвешенном состоянии). В качестве наполнителя используют тальк, графит, циркон, алюминиевую пудру и др.; связующим
могут быть фенольные смолы, этилсиликат, лак, бентонит; растворителем
чаще всего бывают спирт, кетоны, ацетатэфиры; суспензионной составляющей – лигниновые, сульфоновые или натрий-альгинитовые кислоты.
75
9. ФИЛЬТРАЦИЯ МЕТАЛЛИЧЕСКОГО РАСПЛАВА В ПОРЫ ПЕСЧАНОЙ ЛИТЕЙНОЙ ФОРМЫ
Большинство литейных форм, исключая металлические, имеют пори-
стое строение. При заполнении формы жидкий расплав повторяет её внутренние очертания и стремится проникнуть в поры между частицами формы. Металл скрепляет частицы формовочной смеси (рис. 9.1), что вызывает повышенный износ инструмента при механической обработке отливок
и ухудшает товарный вид литья.
Рис. 9.1. Металл, проникший между зерен формовочной смеси
(при 100-кратном увеличении)
Знание закономерностей проникновения металла в поры стенки литейной формы необходимо для правильного выбора зернового и химического состава смеси. Силами, способствующими проникновению металла
в поры формы, являются гидростатический напор и поверхностное натяжение; параметрами, препятствующими проникновению металла, – газовое давление в форме и низкая температура её прогрева.
Жидкий металл не может проникнуть вглубь формы, если её температура ниже температуры ликвидуса металла. Таким образом, максимальная глубина проникновения жидкого металла лимитируется глубиной
прогрева формы до температуры плавления металла. Движение жидкого
металла в порах формы подчиняется законам термодинамики.
76
Прогрев формы и капиллярное проникновение металла осуществля-
ются последовательно, поэтому скорость суммарного процесса определя-
ется по наиболее медленному. Для выявления условий проникновения металла в поры формы необходимо рассмотреть каждый из этих процессов.
После прогрева стенки формы до температуры плавления заливаемо-
го металла расплав получает возможность фильтрации в поры формы. Его
понижение описывают уравнением потенциального течения вязкой несжимаемой жидкости (уравнение Навье – Стокса) при условии неразрывного потока. Рассмотрим систему при следующих допущениях:
– движение расплава проходит в единичном капилляре произвольно-
го радиуса Ri, имеющем температуру расплава;
– металлический расплав представляет собой несжимаемую жид-
кость. Действительно, для большинства металлов коэффициент сжатия
β = (20–200)·106 Па;
– в тонком пограничном слое изменение всех величин в направлении,
перпендикулярном поверхности твердого тела, проходит быстрее, чем
в тангенциальном направлении;
– движение расплава в капилляре настолько медленное, что может
быть описано законами стационарного движения. При малых скоростях
течение жидкости имеет ламинарный характер. Действительно, при эффективном сечении капилляра 4·10–5 м ламинарное течение расплава чугуна (стали) будет наблюдаться вплоть до скорости 11 м/с (Re = 2400;
υ = 0,26 м/с при Re = 60). Обычно скорость фильтрации расплава металла
в поры формы не превышает 1 мм/с;
– расплав течет вдоль капилляра в направлении х (течений в других
направлениях нет). Круговым движением расплава в капилляре пренебрегаем;
– диаметр капилляра значительно меньше его длины. При этом условии можно пренебречь влиянием кривизны поверхности головной части
капилляра на характер движения расплава;
77
– на поверхности расплава, заполняющего капилляр, действует ка-
σ
2
σ
cosθРR=
2
1
υ
8η
dP
R
dx
= ⋅
dP P
dx x
∆
≅
2σ
cosθρ
i
P gx
R
∆= −
пиллярная сила
,
где σ – поверхностное натяжение расплава, Н/м;
θ – угол смачивания материала формы расплавом, град;
– внешнее избыточное давление на поверхности расплава намного
меньше капиллярного. В реальной песчаной форме избыточное давление
газовой среды составляет 2 кПа, в то время как капиллярное давление для
указанного ранее капилляра будет 200 кПа.
Принятые допущения позволяют применить для расчета скорости
проникновения металла в поры формы формулу Пуазейля:
,
где dP/dx – градиент давления в движущемся металле.
Для расчета скорости проникновения металла в поры формы необходимо принять соответствующий закон изменения градиента давления по
длине капилляра. Допустим, что
,
где ΔР – перепад давления в капилляре на участке длиной х.
Для вертикально расположенного цилиндрического капилляра
,
где ρ – плотность жидкого металла, кг/м3.
Расчетная скорость капиллярного проникновения стали, залитой
в песчаную форму при 1750 К (σ = 1,6 Дж/м2; θ = 135°; η = 2,5–4,5 МПа·с;
R = 20–4 мкм), составляет 2–10 мм/с, что хорошо согласуется с опытными
данными К. Фурзунда.
78
Продолжительность движения жидкого металла по капилляру опре-
2
4η
τ
σ cos θ
i
h
R
=
деляют по формуле
.
Время движения жидкого металла по вертикальному капилляру –
величина конечная, зависящая от вязкости, поверхностного натяжения
и размера пор в стенке формы. Таким образом, глубина проникновения
жидкого металла в поры формы не является величиной постоянной и может меняться в довольно широком диапазоне (гистерезис проникновения).
Глубина проникновения будет зависеть от свойств формы (размера пор
и их геометрии).
Газовый режим литейной формы
Интенсивность газовыделения и состав выделяющихся газов влияют
на образование таких дефектов, как пригар, подкорковая пористость, изменение химического состава поверхностного слоя отливок, особенно у
высокотемпературных сплавов.
Органические компоненты формы под действием тепла отливки подвергаются окислению и термодеструкции. Выделяющиеся газы создают из-
быточное давление в зоне деструкции, что является движущей силой фильтрации газов как во внешние слои формы, так и в расплав.
По мере прогрева все большее количество формовочной смеси во-
влекается в этот процесс, что уменьшает максимальную температуру смеси в зоне прогрева. Таким образом, газовый режим литейной формы необходимо рассматривать совместно с тепловым режимом прогрева формы.
Температурное поле песчаных форм характеризуется многими осо-
бенностями. Главная заключается в следующем: во влажной форме происходят испарение и фильтрация влаги, поскольку песчаная смесь представляет собой капиллярно-пористое тело; в неводных песчаных смесях – плавление и термодеструкция связующих компонентов (катализаторов, пласти-
фикаторов и др.), а также фильтрация парогаза. Эти процессы могут существенно повлиять на распределение температурного поля формы.
79
10. СПЕКАНИЕ ЧАСТИЦ ФОРМОВОЧНОЙ СМЕСИ
( )
sin α/2
xr=
Компоненты формовочной смеси взаимодействуют не только с ме-
таллом и его оксидами, но и друг с другом. Обычно подбирают смеси из
однородных компонентов, но и в этом случае возможно спекание частиц
под действием тепла отливки.
Спекание смеси происходит по поверхности соприкосновения зерен,
если расстояние между ними не превышает радиуса действия молекулярных сил. Размер этого радиуса составляет несколько десятков нанометров.
Определим примерную площадь активного контакта частиц формовочной
смеси, на которой начинается процесс спекания. Частицы формовочной
смеси будем считать шарообразными. Такое предположение без большой
ошибки можно принять для Луховицкого, Правдинского, Байгузинского
и других песков.
Обозначим радиус частицы через r (рис. 10.1), а расстояние действия
молекулярных сил – через l. Тогда радиус поверхности контакта
.
Угол α определяем из условия α = 2аrccos (1 – l/r).
При l ~ 0,1 нм и r ~ 1–0,01 мм угол α имеет значение от нескольких
секунд до нескольких минут.
При этом поверхность контакта будет составлять 10–7–10–4 от полной
поверхности частиц.
Рис. 10.1. Спекание двух частиц
80