Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

технология литейного производства

.pdf
Скачиваний:
495
Добавлен:
27.02.2016
Размер:
10.1 Mб
Скачать

кол» и образующиеся в результате случайного механического повреждения.

В энергомашиностроении холодные трещины чаще всего возникают в чугунных и стальных отливках замкнутой формы, с большим различием тол- щин стенок при недостаточной толщине ребер жесткости. Причинами обра- зования этого дефекта могут явиться плохая податливость стержней, наличие массивных литых каркасов, заливы и другие факторы.

а

б

Рис. 80. Дефект холодная трещина: а схема; б дефектная отливка

Газовые раковины. По причине возникновения газовые раковины мож- но разделить на металлургические и технологические. Первую группу обра- зуют газы, расположенные в жидком метле. Технологическую группу дефек- тов составляют источники газов, связанные с технологией литейной формы. Технология выплавки стали и чугуна в условиях НЗЛ позволяет почти полно- стью избежать брака отливок по газовым раковинам из-за некачественного металла. Из технологических факторов, вызывающих появление газовых ра- ковин на отливках, определяющими являются следующие: неудовлетвори- тельный вывод газов из стержней и форм; низкокачественные исходные ма- териалы для изготовления смесей и красок; некачественная сушка формы и стержней; неправильно выполненная литниковая система; неправильный ре- жим заливки формы.

Внешний вид и расположение газовых раковин на отливке зависят от перечисленных факторов.

По форме газовые раковины получались двух типов: шаровидные с размерами от 2 до 15 мм (часто сопровождаемые корольками) и округлые, вытянутые. Длина последних в некоторых случаях достигает 600 мм, ширина

– 20 мм, глубина – 30 мм. Полости этих раковин заполнены «языками» метал- ла, имеющими гладкую блестящую поверхность, покрытую тонким слоем окислов железа и соединенных с металлом отливки у основания (рис. 81).

Поверхность газовых раковин может быть окисленной (черной, темно- коричневой или бурой), и не окисленной (светлой). В обоих случаях встреча-

181

ются раковины с гладкой или шероховатой поверхностью. Гладкая поверх- ность характерна для газовых раковин небольших размеров.

а

б

Рис. 81. Дефект газовая раковина: а схема; б дефектная отливка

Газовые раковины с окисленной поверхностью возникают в результате инжекции воздуха через литниковую систему или из-за недостаточной вели- чины выпоров. В последнем случае воздух не успевает выходить из полости формы и захлестывается металлом. Причиной возникновения светлых газо- вых раковин может быть некачественное изготовление центрового стержня.

Усадочные раковины и усадочная пористость являются нарушением сплошности металла, резко снижают гидравлическую плотность отливок и могут стать причиной развития трещин в процессе эксплуатации изделия.

Усадочные раковины (рис. 82) представляют собой внутренние полости неправильной формы с шероховатой, часто дендритной поверхностью, сосре- доточенные преимущественно в верхних, затвердевающих в последнюю оче- редь частях отливок. В большинстве случаев они имеют форму сужающейся книзу воронки с окисленной поверхностью, которая продолжается в виде от- дельных замкнутых полостей. Усадочные раковины могут быть открытыми и замкнутыми. К ним относятся газоусадочные раковины типа утяжин, распо- лагающиеся обычно вблизи внутреннего узла или углубления и не обязатель- но в верхней по заливке части отливки.

Разновидностью усадочных раковин является усадочная пористость (рис. 83), в частности, осевая усадочная рыхлота. Основным способом борьбы

с усадочными раковинами является осуществление принципы направленного затвердевания отливки, а также улучшение литейной технологичности отли- вок.

Шлаковая раковина. Дефект в виде полости, полностью или частично заполненной шлаком (рис. 84). Возникает из-за попадания шлака в форму во время заливки; неправильного расчета и конструкции литниковой системы и низкой вязкости шлака.

182

Для устранения шлаковой раковины необходимо тщательно очищать ковш от остатков предыдущей плавки; при заливке применять чайниковые или стопорные ковши или сгущать шлак; проверять расчет литниковой сис- темы; применять литниковые системы с шлакоуловителем, питатели расши- ряющегося типа для отливок из стали; литниковые чаши, обеспечивающие задержку шлака; фильтровальные сетки в литниковой системе; повышать вяз- кость шлака путем присыпки в ковш сухого кварцевого песка.

а

б

Рис. 82. Дефект усадочная раковина: а схема; б дефектная отливка

а

б

Рис. 83. Дефект усадочная пористость: а схема; б дефектная отливка

Несоответствие по структуре (отбел). Дефект в виде твердых, труд-

ноподдающихся механической обработке мест в различных частях отливки из

183

серого чугуна, вызванных скоплением структурно свободного цементита

(рис. 85).

а

б

Рис. 84. Дефект шлаковая раковина: а схема; б дефектная отливка

а

б

Рис. 85. Дефект отбел:

а схема; б дефектная отливка

Возникает из-за несоответствия химического состава чугуна; низкой температуры заливаемого металла; низкой температуры металличпской фор- мы (кокиля) перед заливкой; высокой влажности формовочной или стержне- вой смеси; неправильного подвода металла к отливке; не проведения терми- ческой обработки отливок или нарушения ее режимов.

Для предупреждения дефекта необходимо выдерживать содержание кремния, фосфора и углерода в жидком чугуне в пределах требования ГОСТа, применять раскислители; контролировать температуру заливки термопарой погружения или оптическим пирометром; подогреть кокиль перед заливкой до 250-300 оС; уменьшить содержание влаги до минимуму, выдержать формы до заливке их металлом; изменить конструкцию литниковой системы, металл подводить в тонкие части отливки для выравнивания скорости охлаждения;

184

проводить термическую обработку для снятия внутренних напряжений отли- вок.

Контрольные вопросы.

1.Какова физическая сущность и природа объемной и линейной усадки сплавов?

2.Объясните разницу в усадке металла и в усадке отливки.

3.В каких местах фасонных отливок обычно располагаются сосредото- ченные усадочные раковины? Какими способами можно это заранее определить по чертежам отливок?

4.В каких видах могут находиться газы в отливках, их происхождение?

Какое отличие имеют газовые раковины по сравнению с усадочными пороками?

5.Каковы источники образования газа в форме и зависимость количе-

ства газов в форме от количества первоначально содержащегося в ней воздуха?

6.Обобщите методы устранения газовых пороков в литье.

7.Почему внутренняя горячая трещина чаще образуется в наиболее массивной части отливки?

8.Что такое отбел на чугунных отливках? Является ли отбел устрани- мым дефектом?

9.Как отличить горячую трещину от холодной?

ЛЕКЦИЯ 17.

ТЕМА: КАЧЕСТВО ЛИТЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ

План лекции

1.Оценка качества литой поверхности, влияние качества поверхности отливки на ее свойства.

2.Условия получения качественных поверхностей форм.

3.Пригар на поверхности отливок.

4.Мероприятия, предупреждающие образование пригара.

В большинстве случаев качество литых поверхностей доводится до тре- буемой нормы тем или иным способом механической обработки. Поэтому,

если неудовлетворительная структура литого металла или недостаточная плотность отливки обычно приводят к ее забракованию, то низкое качество ее поверхности вызывает лишь затраты на дополнительную обработку. Только в том случае, если затраты на такую обработку будут превышать стоимость по- вторного изготовления отливки (что бывает, например, при большом прига-

185

ре), последняя бракуется. Поэтому качество литых поверхностей часто опре- деляется наличием и величиной пригара.

Поверхность с пригаром. Пригар обычно определяют как неметалличе- ский слой, состоящий из зерен песка, сцементированных либо металлом по- сле его затвердевания (механический пригар), либо неметаллическим распла- вом, полученным в результате взаимодействия окислов металла и материалов формы (химический пригар). Из этого определения следует, что в основу классификации пригара (механический, химический) положено его строение.

В процессе заполнения формы расплавом, затвердевания и охлаждения отливки происходит повышение температуры и изменение состояния, состава и свойств формовочной смеси. При этом компоненты сплава взаимодейству- ют с компонентами материала формы и атмосферой, вступают в химические реакции, сплав выделяет и поглощает газы, оказывает силовое воздействие на стенки формы (размывает, сжимает элементы формы), проникает в поры формы и т.д. В результате указанных процессов в отливках образуются де- фекты, ухудшающие качество поверхности отливок.

Этот слой прочно удерживается на поверхности отливки.

Образование пригара обусловлено проникновением сплава в поры фор- мы под действием капиллярных сил и давления металла на стенки формы.

Проникновение расплава в поры формы является первой стадией процесса образования пригара, а второй его стадией является химическое взаимодейст- вие окислов металла, содержащихся в расплаве (окислов железа и легирую- щих элементов), и окислов, содержащихся в формовочных материалах. Хими-

ческое взаимодействие расплава и формы усиливает проникновение металла в поры формы [2].

Проникновение металла в поры формы начинается после прогрева час- тиц формовочной смеси выше температуры начала затвердевания сплава. По-

этому повышение температуры заливки и увеличение времени контакта с движущимся расплавом (длительности заливки) способствуют прогреву фор- мы и проникновению металла в поры формы (рис. 86, а, б). Наоборот, добавка в формовочную смесь более теплопроводных материалов (хромомагнезита, хромистого железняка) ускоряет охлаждение отливки и образование на ее по- верхности твердой корочки, что уменьшает возможность проникновения рас- плава в форму. Так как проникновение расплава в поры формы происходит под действием капиллярных сил и сил статического давления, применение материалов, плохо смачиваемых расплавом, и снижение давления расплава уменьшают пригар.

Давление, при котором начинается проникновение металла в поры формы, называют критическим. Величина критического давления зависит от материала формы (точнее, от его смачиваемости расплавом), зернового соста- ва формовочной смеси и степени ее уплотнения, влияющих на размеры пор в форме.

Увеличение зернистости смеси приводит к увеличению размера пор и

186

степени проникновения расплава. При высоком перегреве сплава вследствие спекания мелких зерен возможно образование новых, более крупных пор. В этом случае проникновение сплава даже в мелкозернистую смесь значитель- ное (рис. 87).

Рис. 86. Влияние температуры заливки (а) и времени соприкосновения жидкой стали при температуре 1600 оС (б) на глубину проникновения в поры формы:

1 форма из кварцевого песка; 2 форма из хромомагнезита; 3 форма из хромистого же-

лезняка

Рис. 87. Влияние температуры заливки и зернового состава формовочной смеси на глубину проникновения стали:

1 мелкий песок; 2 крупный песок

187

Проникновение расплава в поры формы сопровождается процессами химического взаимодействия компонентов сплава, а также окислов послед- них, и формовочной смеси. А так как продукты взаимодействия улучшают смачиваемость поверхности пор расплавом и имеют температуру плавления, более низкую, чем формовочный материал, усиливается проникновение ме- талла в поры формы.

Проникший в форму сплав начинает интенсивно окисляться. Образо- вавшиеся окислы железа активно взаимодействуют с составляющими формо- вочной смеси, и образуются легкоплавкие соединения. Они хорошо смачива- ют зерна песка и основной сплав. Под действием металлостатического напора

и капиллярных сил жидкие легкоплавкие соединения и расплав внедряются вглубь формы по мере ее прогрева, скрепляя зерна песка и образуя слой труд- ноудалимого пригара. Химическое взаимодействие сплава с формой может продолжаться и после его затвердевания вплоть до температур 600-800 °С.

Под действием высокой температуры изменяются свойства кварцевого песка и глины в поверхностных слоях формы, происходит их спекание и оп- лавление. Одновременно наблюдается химическое взаимодействие окислов металла и формовочного материала, приводящее к возникновению новых ми- нералов и образованию в форме зоны, называемой контактной (рис. 88). В общем случае эта зона состоит из трех слоев. В первом слое глубиной до 1020 мм наблюдаются прожилки проникшего в форму сплава 1, растрескавшие- ся зерна песка 4, легкоплавкие продукты химических реакций (новообразова- ния) 3, поры 2. Заметно частичное спекание формовочной смеси. Во втором слое, обычно более светлом, заметны растрескавшиеся и оплавившиеся зерна песка 4, отдельные очаги новообразований 3. Глубина слоя достигает 15-30 мм, а при литье очень крупных отливок 50-60 мм. В третьем слое зерна песка 5 почти не изменяются, происходит оплавление лишь отдельных из них, а также легкоплавких частиц, присутствующих в формовочной смеси.

Общая величина контактной зоны и соотношение размеров отдельных ее слоев зависят от температуры заливаемого сплава и физико-химических свойств формовочных смесей. Например, вследствие уменьшения интенсив-

ности взаимодействия между окислами металла и составляющими смесей на основе хромомагнезита и хромистого железняка пригарные корки получае- мых в них стальных отливок сравнительно малы и легко отделяются.

Пригар характеризуется прочным сцеплением зерен формовочной сме- си между собой и с металлом. Механический пригар это охватывание зерен смеси проникшим расплавом. Прочное сцепление химического пригара с от- ливкой объясняется наличием прослойки соединений, обладающих хорошим сцеплением с металлом и частицами смеси.

Сила сцепления пригара с отливкой при комнатной температуре опре-

деляется соотношением величин существующего между ними сцепления и напряжений на границе сплав пригар. Напряжения на границе сплав при-

гар возникают вследствие разницы коэффициентов линейного расширения

188

этих материалов. Если эти напряжения превысят силы связи, то пригар может легко отделиться. Легкоотделимым считается пригар, который в виде корочки легко отделяется от отливки.

Рис. 88. Строение контактной зоны:

1 отливка и сплав, проникший в поры или трещины формы; 2 поры; 3 новообразова- ния; 4 видоизмененные зерна песка; 5 малоизмененные зерна песка

Обычно химический пригар прочно удерживается на поверхности от- ливки. Однако если в состав формовочной смеси ввести сильные окислители, например марганцевую или железную руду, то на границе раздела пригара и отливки образуется относительно толстый слой малопрочных окислов. В ре- зультате связь пригара с отливкой ослабнет и его легко удалить. Слой оки- слов должен иметь определенную толщину, иначе не произойдет легкого от- деления пригара. Например, при применении песчано-жидкостекольной сме-

си толщина слоя окислов для обеспечения легкого удаления пригара должна быть не менее 100 мкм.

Мероприятия, предупреждающие образование пригара. Для предот-

вращения механического проникновения расплава в поры формы необходи- мо, чтобы давление расплава было меньше критического, и температура на поверхности формы была ниже температуры затвердевания сплава.

Ускоренное образование на поверхности отливки затвердевшей короч- ки, предотвращающей механическое проникновение металла в поры формы, достигается использованием облицовочных смесей с повышенной охлаж- дающей (теплоаккумулирующей) способностью. В табл. 39 приведена тепло- аккумулирующая способность некоторых смесей для стального литья.

Замена в формовочных смесях кварцевого песка хромомагнезитом или цирконом такого же зернового состава, но имеющими более высокую охлаж- дающую способность, уменьшает механический пригар и снижает глубину проникновения расплава примерно вдвое.

189

При отливке деталей из специальных сталей или в особо тяжелых усло-

виях для предотвращения пригара используют специальные холодильники и различные охлаждающие устройства.

Таблица 39

Теплоаккумулирующая способность некоторых смесей для стального литья

Смесь

Теплоаккумулирующая способность,

 

ккал/м2×ч×град

Песчано-глинистая

20-25

Песчано-маршалитовая

30-35

Быстротвердеющая

28-30

Быстротвердеющая с пылевидным кварцем

32-34

Хромомагнезитовая

40-55

Цирконовая

50

Уменьшение величины пор в формовочной смеси при применении мел- козернистых песков или среднезернистых песков с добавкой мелких фракций,

а также при увеличении степени уплотнения формовочной смеси повышает критическое давление и уменьшает глубину проникновения расплава в поры формы (рис. 89). Повышение давления прессования до 1 Па при уплотнении формы наиболее эффективно для снижения проникновения металла; даль- нейшее повышение давления прессования уже не вызывает заметного умень- шения глубины проникновения металла.

Рис. 89. Изменение критического давления с уменьшением пористости формы при введе-

нии в формовочную смесь пылевидного кварца

Влияние уплотнения наиболее существенно при использовании крупно- зернистого песка.

Проникновение расплава уменьшается при снижении металло- статического давления расплава на стенки формы. Скорость заливки должна быть максимальной, а температура расплава минимально допустимой.

Для предотвращения или снижения интенсивности химической стадии

190