Теория литейных процессов том1

151

лирующей способности формы, λ ф - коэффициент теплопроводности, сф - коэффициент теплоемкости, γ ф - плотность формовочной смеси) и

степень уплотнения формовочной смеси.

Рис. 4.1. Воспроизведение металлом микрорельефа поверхности формы (а) и зависимость средней шероховатости отливки от радиуса

зерен песка (б)

Чем выше температура заливаемого металла, тем глубже будет проникать жидкий металл в поры формы. Малотеплопроводная форма с низким коэффициентом теплоаккумулирующей способности (например на кварцевом песке) будет более чувствительна к повышению температуры заливки с точки зрения снижения качества поверхности отливки, чем более теплопроводная (например на хромомагнезитовом песке).

Чем выше степень уплотнения смеси, тем меньше размер ее пор, и следовательно, меньше глубина проникновения жидкого металла.

Таким образом, получению отливок с низкой шероховатостью в песчаных формах способствует уменьшение размера зерен формовочного песка, снижение температуры заливки, применение смесей с высокой теплоаккумулирующей способностью на основе высокотеплопроводных формовочных песков, увеличение степени уплотнения смесей при формовке.

152

Пригар

Пригар представляет собой неметаллический слой на поверхности отливки, состоящий из формовочных материалов, сцементированных металлом, его оксидами и различными силикатными фазами.

Пригар условно разделяют на механический и химический. Механический пригар образуется вследствие проникновения рас-

плавленного металла в поры поверхности формы и стержня. Жидкий металл охватывает отдельные песчинки, и после затвердевания образуется пригарная корка, которая имеет прочное сцепление с отливкой. Химический пригар возникает на отливках из сплавов с высокими температурами затвердевания в результате сложных реакций между металлом отливки, его оксидами и материалом формы. В отличие от механического пригара зерна песка в пригоревшем слое связаны между собой оксидами металла отливки или продуктами их взаимодействия с компонентами смеси.

Развитие процесса проникновения жидкого металла в поры формы определяется поверхностными явлениями на границе жидкий металл – форма и зависит от поверхностного натяжения расплава и смачиваемости им материала формы.

Поверхностное натяжение σ измеряется силой, действующей на единицу длины свободной поверхности жидкости, или работой, которую необходимо затратить на увеличение поверхности жидкости на единицу площади. Поверхностное натяжение объясняется наличием неуравновешенных межмолекулярных сил притяжения, которым подвержены молекулы поверхностного слоя. Этими силами создается избыточная поверхностная энергия, которая служит причиной особых свойств поверхностного слоя жидкости, отличающихся от свойств остальной части жид-

153

кости. Толщина поверхностного слоя составляет 10-9 м. При заполнении литейной формы расплавом поверхностное натяжение возникает на границе трех фаз: форма (твердое тело) – расплав (жидкость) – газ. В зависимости от соотношения величин поверхностного натяжения между формой и расплавом σтв-ж, расплавом и газом σж-г, формой и газом σтв-г жидкий металл будет либо смачивать (рис. 4.2, а), либо не смачивать (рис. 4.2, б) поверхность пор формы.

Рис. 4.2. Проникновение жидкого металла в поры формы при смачивании (а) и несмачивании (б) поверхности формы (σ - поверхностное на-

тяжение, θ - краевой угол смачивания, Pz - капиллярное противодавление)

Смачиваемость характеризуется краевым углом смачивания (рис. 4.2), который определяется из условия

cos Θ = (σтв-г – σтв-ж) / σж-г . (4.1)

При смачивании расплавом формы cos Θ > 0, при несмачивании cos Θ < 0.

154

При смачивании капиллярные силы действуют в направлении проникновения металла в поры формы и способствуют образованию механического пригара. При несмачивании капиллярное противодавление препятствует проникновению расплава в поры формы. В этом случае оно будет происходить при превышении металлостатическим давлением

Капиллярное противодавление в порах формы описывается уравне-

где σ - поверхностное натяжение, θ - краевой угол смачивания, r – радиус капилляра (поры формы).

Таким образом, проникновение будет проходить при высоте столба жидкого металла (критическом металлостатическом напоре), рассчитан-

Следовательно, для предупреждения механического пригара необходимо увеличивать поверхностное натяжение σ и увеличивать радиус пор r.

Вместе с тем, следует учитывать, что явление смачивания и снижение поверхностного натяжения способствуют улучшению заполняемости тонких стенок отливок, повышению четкости отпечатка металлом поверхностного рельефа, получению более острых кромок в отливках и т.п.

Величины поверхностного натяжения и угла смачивания сильно зависят от газовой среды, температуры, химического состава металла и

155

формовочных материалов. Радиус пор уменьшается при применении мелкозернистых песков. Формы из смесей на основе кварцевого песка сплавами железа (чугуном, сталью) не смачиваются. Однако при образовании оксидов железа поверхностное взаимодействие изменяется с переходом от несмачивания к смачиванию. Если в чугуне содержится алюминий и образуется пленка оксида алюминия, поверхностное натяжение повышается и форма плохо смачивается расплавом. Для жидкого алюминия, на поверхности которого имеется оксидная пленка, поверхностное натяжение увеличивается до трех раз.

Механический пригар может возникнуть на отливках из любых литейных сплавов. У легких металлов и сплавов опасность проникновения металла в поры формы и, соответственно, вероятность возникновения механического пригара относительно невелика, так как критический металлостатический напор (4.4) обратно пропорционален плотности.

Процесс проникновения жидкого металла в поры формы, т.е. фаза образования механического пригара, длится, как правило, в течение нескольких секунд, так как при соприкосновении металла с поверхностью формы очень быстро происходит образование твердой корки в отливке и дальнейшее проникновение металла прекращается. Затем наступает фаза формирования химического пригара. Его развитие зависит от интенсивности окисления поверхностного слоя отливки в период ее затвердевания и охлаждения в форме и образования легкоплавких шлакообразных продуктов, вступающих в химическое взаимодействие с материалом формы. Получающийся в результате окисления железа оксид железа 2Fe+O2->2FeO вступает во взаимодействие с материалом формы – кремнеземом (диоксидом кремния), образуя легкоплавкие шлакообразные продукты (фаялит): nFeO+mSiO2 -> (FeO)n (SiO2)m. Получающиеся легкоплавкие продукты, обладая высокой смачиваемостью и под-

156

вижностью, проникают вглубь формы и образуют так называемую контактную зону. Контактная зона состоит из трех слоев (рис. 4.3):

Рис. 4.3. Строение контактной зоны при формировании химического пригара

I слой – слой новообразований, расположен непосредственно на поверхности отливки, состоит из шлакообразных продуктов взаимодействия оксидов металла и кремнезема, внутри которых находятся остатки видоизмененных зерен кварцевого песка; слой сцементирован шлакообразными продуктами.

II слой – слой значительных изменений, в котором большинство зерен песка перешло в кристобаллит; отдельные зерна песка имеют кристобаллитовые оторочки; слой сцементирован шлакообразными продуктами.

157

III слой – слой незначительных изменений, состоит из кварцевых зерен песка, покрытых сетью трещин, и отдельных зерен, имеющих кристобаллитовую оторочку; слой сцементирован затвердевшими шлакообразными продуктами.

Толщина контактной зоны зависит от температуры и продолжительности взаимодействия легкоплавких продуктов с формой. Наибольшей подвижностью образующиеся шлаки обладают при температуре 1200 0С и выше, причем чем дольше сохраняется эта температура, тем глубже шлаки проникают в форму. При температуре 800 0С процессы взаимодействия шлаков и формы прекращаются. Интенсивность формирования и глубина проникновения контактной зоны возрастают в окислительной атмосфере, а в восстановительной атмосфере процесс формирования контактной зоны развивается слабо.

Изменение толщины контактной зоны l во времени τ подчиняется параболической зависимости:

где k – постоянная величина, характеризующая процесс проникновения оксидов формы.

При извлечении отливки из формы контактная зона удерживается на поверхности в виде корки пригара. Химический пригар формируется преимущественно на стальных и чугунных отливках.

Мероприятия по предотвращению пригара на отливках сводятся к следующему:

-применение защитных покрытий (противопригарных красок), наносимых на поверхность литейных форм и стержней;

-уменьшение металлостатического напора расплава;

-применение химически инертных формовочных материалов;

158

- создание в форме восстановительной атмосферы за счет введения в формовочную смесь углеродосодержащих добавок (при литье чугунных отливок).

Применение противопригарных красок является универсальным способом предотвращения пригара. Противопригарные краски представляют собой суспензию тонкодисперсного огнеупорного наполнителя в растворе связующего; в связующее может быть введен стабилизатор для повышения вязкости раствора. В зависимости от природы огнеупорного наполнителя противопригарные краски делятся на графитовые, тальковые, цирконовые и т.д.; в зависимости же от природы растворителя – на водные, подвергаемые после нанесения тепловой сушке, и самовысыхающие при комнатной температуре.

Таблица 4.1

Примеры составов водных противопригарных красок

159

Окончание табл. 4.1

Для самовысыхающих красок в качестве органических растворителей применяются преимущественно спирты (этиловый, изопропиловый). Примеры составов противопригарных красок приведены в табл. 4.1, 4.2.

Таблица 4.2

Примеры составов самовысыхающих противопригарных покрытий

Засоры

При заливке песчаной формы жидким металлом возможны два вида воздействия, приводящих к разрушению ее поверхностного слоя: размывание и отслоение. Продукты разрушения переносятся потоком металла, образуя в отливках включения в виде засоров. Засоры – это не-

160

металлические включения в отливках, появляющиеся вследствие частичного механического разрушения отдельных участков формы струей расплава при заливке. Наличие засоров в отливках затрудняет процесс механической обработки отливок, а исправление подобных дефектов вырубкой с последующей заваркой дефектного места требует дополнительных материальных затрат.

Увеличение поверхностной прочности песчаных форм за счет повышения степени уплотнения, защитных упрочняющих покрытий, использования смесей с пониженной осыпаемостью способствует уменьшению размывающего действия струи металла. Кроме того, снижение температуры заливаемого металла обеспечивает ускорение процесса формирования твердой корки в отливке и сокращение продолжительности взаимодействия жидкого металла и формы, что приводит к уменьшению размывания ее стенок. Ударное воздействие струи жидкого металла, могущее приводить к разрушению поверхностного слоя формы, снижается при устройстве зумпфа (сферического углубления под стояком) глубиной равной или несколько превышающей диаметр стояка (рис. 4.4, а), и подводе металла питателями вдоль или под острым углом к противоположной стенке формы, а в случае цилиндрической отливки – по касательной к противоположной стенке (рис. 4.4, б)

Рис. 4.4. Подвод металла к отливке для предупреждения засоров: а

– устройство зумпфа, б – направление питателей по касательной.