Реферат Анализ методов сокращения пригара на стальном литье
Работа добавлена на сайт bukvasha.net: 2015-10-28Поможем написать учебную работу
Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
от 25%
Подписываем
договор
Гипероглавление:
2.2. Влияние давления на глубину проникновения пригарного слоя
2.3. Влияние вязкости металла на глубину проникновения
пригарного слоя
2.4. Влияние температуры на пригар
2.5. Влияние химического состава металла на пригар
2.6. Влияние восстановительных добавок на пригар
2.7. Влияние окислительных добавок на пригар
3.1. Классификация методов борьбы с пригаром
3.2. Сокращение химического пригара
3.5. Теплоаккумулирующая способность формы
3.6. Применение восстановительных добавок
3.7. Применение окислительных добавок
3.9. Изготовление форм из высокоогнеупорных и химически
инертных формовочных материалов для сокращения пригара
Выводы
Введение
1. Классификация видов пригара1.1. Термический пригар
1.2. Механический пригар
1.3. Химический пригар
2.1. Влияние огнеупорности
2.2. Влияние металлостатического давления на глубину проникновения пригарного слоя.
2.3. Влияние вязкости металла на глубину
проникновения пригарного слоя
2.4. Влияние температуры на пригар
Характеристика
Глубина проникновения окислов в мм
Продолжительность выдержки в мин
Температура в °С
Глубина контактной зоны в мм
2.5. Влияние химического состава металла на пригар
2.6. Влияние восстановительных добавок на пригар
Влияние добавок на критическую температуру пригара стали
2.7. Влияние окислительных добавок на пригар
2.9. Влияние состава формовочной смеси
2.10. Влияние газопроницаемости формы
3.Мероприятия сокращающие пригар на отливках.
3.1. Классификация методов борьбы с пригаром.
3.2. Сокращение химического пригара
3.3. Сокращение пористости
3.3.2. Повышение степени уплотнения формы
Влияние уплотнения на глубину проникновения пригарного слоя в форму
Песок крупный К063Б (0,31)
Песок мелкий К016А (0,08)
3.3.3. Спекающиеся смеси
Уменьшение пористости смеси в зависимости от ее химического состава при нагреве
3.4. Изменение температуры заливки
3.5.Теплоаккумулирующая способность формы
Теплоаккумулирующая способность формовочных смесей
3.7. Применение окислительных добавок
3.9. Изготовление форм из высокоогнеупорных и
химически инертных формовочных материалов для
сокращения пригара.
2.2. Влияние давления на глубину проникновения пригарного слоя
2.3. Влияние вязкости металла на глубину проникновения
пригарного слоя
2.4. Влияние температуры на пригар
2.5. Влияние химического состава металла на пригар
2.6. Влияние восстановительных добавок на пригар
2.7. Влияние окислительных добавок на пригар
3.1. Классификация методов борьбы с пригаром
3.2. Сокращение химического пригара
3.5. Теплоаккумулирующая способность формы
3.6. Применение восстановительных добавок
3.7. Применение окислительных добавок
3.9. Изготовление форм из высокоогнеупорных и химически
инертных формовочных материалов для сокращения пригара
Выводы
Введение
1. Классификация видов пригара1.1. Термический пригар
1.2. Механический пригар
1.3. Химический пригар
2.1. Влияние огнеупорности
2.2. Влияние металлостатического давления на глубину проникновения пригарного слоя.
2.3. Влияние вязкости металла на глубину
проникновения пригарного слоя
2.4. Влияние температуры на пригар
Характеристика
Глубина проникновения окислов в мм
Продолжительность выдержки в мин
Температура в °С
Глубина контактной зоны в мм
2.5. Влияние химического состава металла на пригар
2.6. Влияние восстановительных добавок на пригар
Влияние добавок на критическую температуру пригара стали
2.7. Влияние окислительных добавок на пригар
2.9. Влияние состава формовочной смеси
2.10. Влияние газопроницаемости формы
3.Мероприятия сокращающие пригар на отливках.
3.1. Классификация методов борьбы с пригаром.
3.2. Сокращение химического пригара
3.3. Сокращение пористости
3.3.2. Повышение степени уплотнения формы
Влияние уплотнения на глубину проникновения пригарного слоя в форму
Песок крупный К063Б (0,31)
Песок мелкий К016А (0,08)
3.3.3. Спекающиеся смеси
Уменьшение пористости смеси в зависимости от ее химического состава при нагреве
3.4. Изменение температуры заливки
3.5.Теплоаккумулирующая способность формы
Теплоаккумулирующая способность формовочных смесей
3.7. Применение окислительных добавок
3.9. Изготовление форм из высокоогнеупорных и
химически инертных формовочных материалов для
сокращения пригара.
| Содержание | стр. |
| Введение | 4 |
| 1. Классификация видов пригара | 6 |
| 1.1. Термический пригар | 6 |
| 1.2. Механический пригар | 6 |
| 1.3. Химический пригар | 10 |
| 2. Влияние технологических факторов на пригар | 12 |
| 2.1. Влияние огнеупорности | 12 |
2.2. Влияние давления на глубину проникновения пригарного слоя | 12 |
2.3. Влияние вязкости металла на глубину проникновения | |
пригарного слоя | 15 |
2.4. Влияние температуры на пригар | 16 |
2.5. Влияние химического состава металла на пригар | 17 |
2.6. Влияние восстановительных добавок на пригар | 18 |
2.7. Влияние окислительных добавок на пригар | 18 |
| 2.8. Смачиваемость | 19 |
| 2.9. Влияние состава формовочной смеси | 23 |
| 2.10. Влияние газопроницаемости формы | 26 |
| 3. Мероприятия сокращающие пригар на отливках | 27 |
3.1. Классификация методов борьбы с пригаром | 27 |
3.2. Сокращение химического пригара | 28 |
| 3.3. Уменьшение пористости | 29 |
| 3.3.1. Уменьшение размера зерна | 29 |
| 3.3.2. Повышение степени уплотнения формы | 34 |
| 3.3.3. Спекающиеся смеси | 36 |
| 3.4. Изменение температуры заливки | 38 |
3.5. Теплоаккумулирующая способность формы | 43 |
3.6. Применение восстановительных добавок | 46 |
3.7. Применение окислительных добавок | 47 |
| 3.8. Применение противопригарных красок | 52 |
3.9. Изготовление форм из высокоогнеупорных и химически | |
инертных формовочных материалов для сокращения пригара | 53 |
| 3.10. Рекомендации по выбору противопригарных покрытий для | |
| предотвращения химического пригара | 58 |
| 61 |
| Список использованной литературы | 62 |
Введение
Пригар на отливках является одним из самых распространенных дефектов, значительно увеличивающим трудоемкость обрубных и очистных работ.
На протяжении многих лет литейщики изучают механизм образования пригара и разрабатывают методы борьбы с ним. Однако до сих пор еще не найдены способы полного устранения пригара во всех случаях практики. Такое положение объясняется чрезвычайной сложностью процессов, происходящих на поверхности раздела металл-форма и приводящих к образованию пригара.
Пригаром обычно называют неметаллическую корку, прочно удерживаемую на поверхности отливки и состоящую из зерен формовочного материала и цементирующего вещества.
Разделение пригара на разные виды, является условным, и в реальных отливках можно обнаружить одновременное существование всех или, по крайней мере, двух видов пригаров. Следовательно, пригар на отливках всегда бывает комбинированным. В условиях формы заливаемый металл в большей или меньшей степени покрыт окислами, резко меняющими характер проникновения металла в поры формовочной смеси. Установлено, что струйки металла, проникающие в поры формы, покрыты пленкой окислов железа. Следовательно, механическому пригару сопутствует и способствует химический пригар.
Однако не всякий пригар вызывает необходимость борьбы с ним. Часто образовавшаяся пригарная корка легко отделяется от отливки при последующем охлаждении. Это так называемый легкоотделимый пригар. Иногда борьба с пригаром сводится не к предупреждению образования пригара, а к получению легкоотделимого пригара вместо трудноотделимого.
Встречающиеся на практике такие дефекты отливок, как «просечка» и «металлизация» представляют собой разновидности химического, термического и механического пригаров. Поэтому способы предотвращения указанных дефектов являются общими со способами предотвращения пригара на отливках.
Образование пригара определяется многими факторами, зависящими от свойств металла, от свойств формовочных смесей и технологических условий заливки. На образование пригара, с одной стороны, влияют химический состав металла, его вязкость и жидкотекучесть, степень раскисленности металла, его капиллярные свойства (поверхностное натяжение и способность смачивать стенки формы) и т. д. С другой стороны, возникновение или отсутствие пригара определяется огнеупорностью, химическим и зерновым составом формовочных материалов, смесей, пористостью и теплоаккумулирующей способностью формы, активностью окислов формовочных материалов к окислам металла и т. д.
Кроме того, такие факторы, как металлостатическое давление, атмосфера в форме во время заливки, длительность заливки, соотношение коэффициентов расширения и сжатия металла и формовочных материалов и др., существенно влияют на образование пригара и на прочность сцепления его с отливкой.
Из изложенного выше следует, что при изучении взаимодействия металла и формы приходится сталкиваться с очень большим числом переменных во времени факторов, определяющих величину и характер пригара. Учесть влияние каждого из них не всегда представляется возможным. Поэтому трудно представить такую методику, которая позволила бы дать универсальную оценку противопригарных свойств формовочных смесей. Противопригарные свойства смесей есть комплекс многих свойств металла и формовочных материалов, а также условий заливки металла в форму. Нельзя говорить о противопригарных свойствах данной смеси вообще без учета свойств металла. Известно, что смеси, позволяющие получать чистые от пригара отливки из одного сплава, оказываются непригодными для отливок из других сплавов.
Сложность процессов взаимодействия металла и формы вынуждает литейщиков идти по двум путям оценки противопригарных свойств. Первый путь заключается в том, чтобы раздельно изучать один или небольшую группу факторов, преимущественно влияющих на какой-либо вид пригара. Он дает более общие решения, позволяет строить теоретические основы процессов взаимодействия металла и формы, а также оценивать интересующие нас свойства смеси в физических единицах измерения.
Второй путь состоит в применении различных технологических проб. Образование пригара изучают в условиях, близких к практическим, т. е. изучают комплексный пригар с преобладанием того или иного вида пригара. Оценку противопригарных свойств смеси производят либо качественно, либо по какому-нибудь условному количественному критерию.
Целью данной работы является анализ методов, сокращения пригара, на основании литературных данных.
1. Классификация видов пригара
1.1.
Термический пригар
Возникает вследствие оплавления материала формы под влиянием теплоты залитого металла. Он появляется всякий раз при использовании для приготовления формовочных смесей песков и глин с недостаточной огнеупорностью. Такой пригар большей частью легко отстает от поверхности 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.
1.2.
Механический пригар
Образуется вследствие проникновения расплавленного металла в поры формы. 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 металл войдет в контакт со стенками формы. Однако внедрение его в поры формы начинается не сразу, поскольку формовочные материалы подбирают так, чтобы они не смачивались жидким металлом.
В этих условиях, как известно, возникает капиллярное противодавление p
k, противодействующее внедрению жидкости в капилляры. 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 рr, 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:
p
м = p
к
+ р
r.
Металлостатическое давление, при котором начинается проникновение расплава, называют критическим.
В холодной форме, если давление металла на стенку формы равно критическому, металл проникнет 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 металлу внешнего давления. Проникновению способствует неизбежное окисление металла при выплавке и заливке, поскольку окислы смачивают формовочный материал.
Механизм образования
В общем виде механизм образования пригара может быть описан формулой Пуазейля, если рассматривать форму как пористое тело, состоящее из пучка капилляров диаметром 2r и длиной l (1):
где τ – продолжительность процесса;
η- вязкость промежуточного соединения;
p- давление, под которым это соединение проникает в поры формы;
Q- количество проникающего в капилляры смеси промежуточного соединения.
За время
прирост объема жидкости dQ в капилляре может быть выражен в виде
Тогда после постановки значения для dQ
Отсюда
или
Следовательно, за время τ промежуточное соединение вязкостью η проникает в капилляры диаметром 2r под давлением р на глубину l:
где
Пригар образуется, если промежуточное соединение проникает в форму на глубину l, превышающую радиус зерна r.
Поэтому необходимым, но еще не достаточным условием для устранения механического пригара является выраженное в критериальном виде условие
Приведем формулу (1) к такому же критериальному виду
Для уточнения формулы следует рассмотреть входящие в нее величины р, τ и η при условии, что свойства формы не изменяются во времени.
Приведение выражения к критериальному виду подчеркивает необходимость определения не глубины проникновения промежуточного пригарного слоя, а условий, обеспечивающих полное отсутствие механического пригара.
Давление р складывается из трех составляющих.
1. р1- статического давления жидкого металла на поверхности формы. Если высота слоя жидкого металла Н см, а плотность γ г/см³, то давление этого слоя составит
2. р2- противодавление газов в форме. Оно может быть положительными отрицательным; обычно принимается положительным как результат выделения газов формой при ее нагреве. Но противодавление может быть и отрицательным, если применять искусственный отсос газов из формы, например, при изготовлении крупных отливок; отсос должен применяться только после образования на поверхности отливки достаточно прочной корки затвердевшего металла. Непосредственные измерения показали, что давление р2 может дойти до 0,1 кГ/см2; при изготовлении низких отливок нельзя пренебрегать давлением газов.
3. ps-капиллярного давления:
При полном смачивании cos φ = 1 и радиусе зерна 0,1 мм это давление
может дойти до 0,2 кГ/см2, т. е. до величины, сопоставимой с металлостатическим давлением.
Таким образом, полное давление
или, в развернутом виде,
Существует еще давление от усадки металла на стенки формы, которое возникает после затвердевания отливки. Однако учесть это давление в настоящее время не представляется возможным. Между тем, оно имеет очень большое практическое значение.
Величина τ, характеризующая продолжительность процесса образования механического пригара, зависит от продолжительности пребывания металла в жидком состоянии, которая может быть связана с приведенной толщиной отливки R:
откуда
Для усредненных расчетов можно принять m=0,1. Продолжительность пребывания поверхности металла в жидком состоянии заведомо и значительно меньше продолжительности полного затвердевания отливки. Поэтому следует принять
Необходимо подчеркнуть, что в данном случае разбираются условия образования механического пригара. Химический пригар может образоваться значительно позднее, после полного затвердевания отливки.
Входящую в формулу (1) вязкость можно определить по упрощенной формуле в зависимости от температуры Т:
где ηн и ηт - вязкости при начальной и искомой температурах.. После подстановки полученных значений формула (1) приобретает вид
где Сз - эмпирически определяемый коэффициент.
Приведенная к критериальному виду формула может быть выражена в виде неравенства
Глубина проникновения пригарного соединения имеет подчиненное значение по сравнению с требованием создания условий, при которых это соединение не проникает на глубину, превышающую радиус зерна.
Из неравенства (1) следует:
1. На пригар оказывает очень большое влияние величина отливки, от которой зависит металлостатический напор и продолжительность образования корки на поверхности отливки. Поэтому целесообразно противопригарные мероприятия проводить с учетом размера отливок.
2. В слагаемом -
3. Слагаемое р2 изучено недостаточно. Можно полагать, что изменение р2 существенно влияет на процессы, происходящие в форме, в частности на пригар.
4. Вязкость пригарного соединения изменяется не более чем в 2 раза и оказывает подчиненное влияние.
5. Продолжительность пребывания поверхности металла отливки при температурах возможного взаимодействия с поверхностью формы зависит от толщины отливки, коэффициента затвердевания, от температуры заливки.
1.3.
Химический пригар
Возникает в отливках из сплавов с высокой температурой плавления в результате сложных реакций между металлом отливки, его окислами и материалом формы. В отличие от механического пригара зерна песка в пригоревшем слое связываются главным образом продуктами химических реакций, протекающих при высоких температурах, преимущественно силикатами.
На поверхность раздела металл - форма окислы компонентов сплава поступают двумя путями: в небольшом количестве - в виде окислов, растворенных в расплаве и образующихся во время выплавки и заполнения формы, а главным образом вследствие окисления раскаленной затвердевающей поверхности отливки. Массивная отливка из стали дольше находится в раскаленном состоянии, и поэтому на ее поверхности образуется больше окислов.
Считают, что пригар не образуется в двух случаях: когда поверхность отливки не окислена или окислена очень сильно. На неокисленной поверхности металла пригар образоваться не может, так как во взаимодействие с кремнеземом формы вступают только окислы металла; взаимодействие неокисленного металла с кремнеземом маловероятно.
Например, в мелких быстроостывающих отливках, где на поверхности металла образуется слой окислов незначительной толщины, для предотвращения пригара достаточно применить огнеупорные припыл или тонкий слой краски, чтобы предотвратить непосредственный контакт окислов металла с кремнеземом формы. Гораздо труднее избежать пригара на отливках среднего развеса, где окислы на поверхности отливок образуются в больших количествах, чем на мелких, но все же недостаточных для получения слоя окислов оптимальной толщины, обеспечивающих получение легкоотделяемого пригара.
На толстостенных отливках, полученных в жидкостекольных формах без применения покрытий, образуется легкоотделяемый пригар, поскольку сталь легко окисляется и дает большое количество окислов в пригарной корке.
Образующаяся на поверхности отливок закись железа FeO имеет температуру плавления 1380° С, поэтому на поверхности даже закристаллизовавшейся стальной отливки она может находиться в жидком состоянии довольно долгое время. Окислы железа хорошо смачивают кварцевый песок и под действием капиллярного давления легко проникают в поры литейной формы, вступая в реакцию с кремнеземом:
2FeO + 2SiO
В сплавах с высоким содержанием марганца образованию пригара способствует также аналогичная реакция между закисью марганца и кремнеземом
2MnO + 2SiO
Образующиеся в результате этих реакций легкоплавкие силикаты фаялит (2FeO
Механизм образования
Образование химического пригара представляется следующим образом. После заливки формы поверхность отливки 1 покрывается слоем 2 окислов и силикатов железа (рис. 1, а: 3 - зерна кварца, 4 - пленка крепителя). Скорость окисления стали в первый момент после затвердевания отливки 5 (рис. 1, б) при наличии в порах формы большого количества свободного кислорода велика, образующийся окисный расплав накапливается в граничной поверхности, увеличивая относительную площадь контакта отливки и формы. Часть расплава проникает в глубь формы между зернами песка, образуя и связывая корку пригара с отливкой (см. рис. 1, б). В дальнейшем окисление поверхности отливки резко замедляется вследствие уменьшения окислительной способности газов в форме и снижения температуры металла, скорость образования нового окисного расплава на граничной поверхности становится меньше скорости его миграции в глубь формовочной смеси, и между отливкой и формой возникает зазор (см. рис. 1, в). При этом относительная площадь контакта металла с формой уменьшается.
2. Влияние технологических факторов на пригар
2.1.
Влияние огнеупорности
В настоящее время можно считать установленным ряд закономерностей, связанных с влиянием огнеупорности на пригар [2,3]:
1. Наибольший пригар обнаруживается при использовании смесей со средней огнеупорностью.
2. Пригар может уменьшиться при использовании смесей, как с большой, так и с малой огнеупорностью.
В качестве примеров можно привести снижение пригара при заливке стали (высокая температура заливки) в жидкостекольные формы.
Пригар увеличивался при повышении содержания полевых шпатов, до 20%, при дальнейшем повышении их содержания наблюдалось снижение пригара. Удавалось получать отливки с малым пригаром в смесях на основе ваграночного шлака.
Для оценки огнеупорности материалов, применяемых в литейном производстве, особое значение приобретает скорость появления тех свойств, которые характеризуют «огнеупорность», т. е. размягчение, плавление, спекание.
Отсюда ряд следствий:
1. Химический состав не может характеризовать огнеупорность, так как при неизменном валовом химическом составе может наблюдаться разное распределение элементов между зернами. Между тем процессы оплавления, размягчения и спекания начинаются с поверхности зерен. Поэтому эти процессы разовьются тем скорее, чем мельче зерна и чем равномернее они между собой перемешаны. По этой же причине огнеупорность силиката всегда ниже огнеупорности смеси разных зерен, но того же валового химического состава.
2. Еще меньшее значение может иметь огнеупорность отдельных составляющих смеси, так, например, от добавления огнеупорной глины в большом количестве смесь может оказаться менее «огнеупорной», чем при добавлении менее огнеупорной глины, но в меньшем количестве.
2.2. Влияние металлостатического давления на глубину проникновения пригарного слоя.
Согласно выведенной общей формуле глубина проникновения l пропорциональна корню квадратному из давления р. Но само давление зависит от высоты и удельного веса металла, капиллярного давления и газового противодавления. Таким образом, нельзя считать глубину проникновения пригарного слоя пропорциональной только высоте слоя жидкого металла. При среднем расчетном удельном весе железоуглеродистых сплавов γ = 7 г/см3 высоте слоя 100 см соответствует давление 0,7 кГ/см²
Было установлено, что в зависимости от типа смеси, типа сплава и т. д. существует определенное критическое давление металла, при котором образуется пригар [2,3,9]. Ниже этого критического давления пригар практически незаметен, а выше - наблюдается отчетливо. Чем больше величина давления металла превышает критическую, тем интенсивнее образование механического пригара.
Таблица 1
Влияние давления металла на образование механического пригара (сталь 30Л)
[9]
| давление в кГ/см² | Характеристика пригара | Смеси | |||
| Хромомагнезитовая с жидким стеклом | Хромомагнезитовая с сульфитной бардой | Песчано- глинистая с жидким стеклом | Песчано-маршалитовая | ||
| 0,6 | Проникновение в мм | 0, 08 | 0, 10 | 0, 17 | 0, 08 |
| 1, 2 | Качественная оценка | Пригара нет | |||
| 1, 8 | Качественная оценка | Нет | Следы | Следы | Нет |
| 2, 5 | Проникновение в мм | 0,12 | 0, 18 | 0, 20 | 0,12 |
Таблица
2
Влияние давления металла на образование механического пригара (сталь 20ГСЛ)
[9]
| давление в кГ/см² | Характеристика пригара | Смеси | |||
| Хромомагнезитовая с жидким стеклом | Хромомагнезитовая с сульфитной бардой | Песчано - глинистая с жидким стеклом | Песчано-маршалитовая | ||
| 0,6 | Проникновение в мм | 0, 13 | 0, 16 | 0, 27 | 0, 11 |
| 1, 2 | Качественная оценка | Нет | Незначительный пригар | Нет | |
| 1,8 | Качественная оценка | Нет | Незначительный пригар | Нет | |
| 2,5 | Проникновение в мм | 0,14 | 0, 32 | 0, 36 | 0,12 |
Таблица 3
Влияние давления металла на образование механического пригара (сталь 20Х1
3
НЛ
)[9]
| смеси. | Смеси | Давление в кГ/см² | Величина критического давления в кГ/см2 | |||
| 0,6 | 1, 2 | 1, 8 | 2, 5 | |||
| 1 | Хромомагнезитовая с жидким стеклом и NaOH | 0, 10 | 0, 17 | 0, 17 | 0, 16 | >2, 5 |
| 2 | Хромомагнезитовая с сульфитной бардой | 0, 13 | 0, 21 | 0, 24 | 0, 57 | <0, б |
| 3 | Песчано-глинистая с жидким стеклом и NaOH | 0, 40 | 0, 79 | 0, 80 | 0, 82 | <0, 6 |
| 4 | Песчано-маршалитовая | 0, 09 | 0, 12 | 0, 20 | 0, 28 | 1, 5 |
| 5 | Хромистый железняк с жидким стеклом и NaOH | 0, 16 | - | - | 0, 19 | >2, 5 |
| 6 | Хромистый железняк (валунчатый) с сульфитной бардой | 0, 21 | - | - | 0, 60 | <0, 6 |
| 7 | Магнезит с жидким стеклом и NaOH | 0, 32 | - | - | 0, 47 | 0, 6 |
На образцах из углеродистой стали 30Л и малолегированной стали 20ГСЛ при использовании смесей I, II, III, IV резкой разницы в величине механического пригара при изменении давления металла в пределах 0,6 - 2,5 кГ/см² обнаружено не было.
Более тщательный анализ данных табл.2 и 3 показывает, что при прочих равных условиях наилучшие результаты были получены на песчано-маршалитовой смеси и хромомагнезитовой смеси с жидким стеклом. Надо учесть, что песчано-маршалитовая смесь содержала 45% маршалита и требовала длительной сушки. Хромомагнезитовая смесь с жидким стеклом высушивалась по режиму, в 6—9 раз более короткому.
Для отливок из углеродистой и малолегированной стали с целью предотвращения образования механического пригара при малых и средних величинах давления металла могут использоваться все четыре состава смеси. Предпочтение тому или иному составу смеси может быть отдано в зависимости от ряда технологических факторов (сырьевых ресурсов, длительности высушивания, легкости выбивания и т. д.).
При высоких давлениях металла (порядка 2, 5 кГ/см2) относительно лучшие результаты по чистоте поверхности отливок, а также по существенному сокращению цикла высушивания дают хромомагнезитовые смеси с жидким стеклом.
Особенно целесообразно применение хромомагнезитовых смесей, например, при изготовлении отливок из нержавеющей стали (табл.3). Чем выше давление металла, тем больший эффект дает применение хромомагнезитовых смесей. Довольно близкие результаты, однако уступающие хромомагнезиту, получают при использовании валунчатого хромистого железняка (смесь 5, табл. 3)
В табл. 4 дано сопоставление условий образования механического пригара на образцах из различных марок стали при высоком давлении металла (2,5 кГ/см²).
Таблица 4
Глубина проникновения металла в форму и величина неровностей в мм
(давление 2, 5 кГ/см2)
[9]
| Марка стали | Смеси | |||
| Хромомагнезитовая с жидким стеклом | Хромомагнезитовая с сульфитной бардой | Песчано-глинистая с жидким стеклом | Песчано-маршалитовая | |
| 20Х13НЛ....… 20ГСЛ......….. 30Л......……... | 0, 16 0, 14 0, 12 | 0, 57 0, 32 0, 17 | 0, 82 0, 36 0, 22 | 0, 28 0, 12 0, 12 |
Общая закономерность заключается в том, что чем более высоколегированна сталь (в данных опытах хромом и никелем), тем больше величина механического пригара при всех испытанных составах смесей.
Наилучшие результаты были получены при хромомагнезитовых смесях с жидким стеклом..
В многочисленных работах П. П. Берга, А. А. Рыжикова, А. Д. Попова, Р. И. Кузина и других была отмечена и изучена зависимость образования механического пригара от гранулометрического строения смесей. П. А. Борсук [9] экспериментально показал зависимость величины критического давления металла от гранулометрического строения смесей при разных сталях (рис. 2, 3).
2.3.
Влияние вязкости металла на глубину
проникновения пригарного слоя
Согласно выведенной формуле глубина проникновения пригарного слоя в форму обратно пропорциональна корню квадратному из вязкости. Достоверных непосредственных опытов в подтверждение этого положения проведено не было. Косвенно влияние вязкости видно из табл.5[2], связывающей увеличение жидкотекучести с увеличением глубины проникновения в форму пригарного слоя.
Таблица 5
Влияние жидкотекучести на глубину проникновения пригарного слоя
[2]
Температура заливки 1320° С. Давление металла 1,0 кГ/см2
| Количество фосфора в % | Жидкотекучесть по длине спирали в мм | Глубина проникновения в мм |
| 0,2 1,0 2,0 | 630 800 920 | 0,8 1,2 1,8 |
2.4.
Влияние температуры на пригар
Повышение температуры приводит к увеличению глубины проникновения пригарного слоя в форму из-за уменьшения вязкости и увеличения продолжительности пребывания при повышенной температуре. На основании выведенной формулы можно ожидать, что повышение температуры будет способствовать увеличению глубины проникновения пригарного слоя в форму.
В подтверждение этих положений приводится табл.6, из которой видно, что при нарастании температуры уменьшается «критический диаметр» зерна, характеризующийся величиной газопроницаемости.
Таблица 6
Влияние температуры заливки на глубину проникновения пригарного слоя
[2]
Характеристика | Опытные данные при газопроницаемости | ||||
| Температура заливки в °С | 602 | 383 | 188 | 94 | 75 |
Глубина проникновения окислов в мм | |||||
| 1640 1629 1600 | 0,40 0,06 0,06 | 0,35 0,08 0,05 | 0,25 0,06 0,08 | 0,17 0,18 0,07 | 0,15 0,13 0,12 |
Глубина проникновения пригарного слоя при увеличении продолжительности выдержки увеличивается по-разному также и в зависимости от атмосферы окружающей среды, как это видно из табл.7, закономерность изменения глубины проникновения (
Этот опыт подтверждает наличие окислов на поверхности металла, и замена окислительной атмосферы на нейтральную не может значительно изменить глубины проникновения окислов в форму. Только создание резко восстановительной атмосферы может уменьшить количество окислов на поверхности металла, а следовательно, и изменить глубину их проникновения в форму.
Таблица 7
Влияние продолжительности выдержки на глубину проникновения пригарного слоя в форму [2]
Газ | Продолжительность выдержки в мин | |||||||
| 0 | 15 | 30 | 60 | |||||
| Глубина проникновения окислов в мм | ||||||||
| Кислород ...... Воздух ........ Аргон ........ Водород ........ | 0 0 0 0 | 1,8 1,15 1,1 0,0 | 2,5 1,9 1,8 0,0 | 3,2 2,6 2,0 0,0 | ||||
Приведенные коэффициенты были получены при выдержке образцов при температуре 1300 С. При понижении температуры глубина контактной зоны уменьшается, как это видно из приведенных данных.
Температура в °С | Глубина контактной зоны в мм |
| 800 1000 1200 1400 | 0,1 0,5 1,0 2,25 |
2.5.
Влияние химического состава металла на пригар
Особое внимание следует обратить на сделанный вывод о резком снижении пригара в случае, когда температура на поверхности форма - отливка получается ниже температуры солидуса к моменту окончания заполнения формы жидким металлом.
На рис.4 приведена диаграмма изменения температур начала и конца затвердевания стальной части железоуглеродистых сплавов. Из диаграммы видно, что опасность увеличения пригара увеличивается при повышении содержания С в стали свыше 0,5%.
2.6. Влияние восстановительных добавок на пригар
Создание восстановительной атмосферы в форме не всегда способствует уменьшению пригара[2,4,6,9]. Можно полагать, что в отдельных случаях восстановительная атмосфера может облегчить протекание процессов науглероживания поверхности малоуглеродистой отливки, что повлечет за собой снижение температуры ее плавления и облегчение проникновения в форму пригарного слоя.
Подтверждение возможности увеличения пригара при введении в смесь науглероживающей добавки можно усмотреть из опытов, приведенных в табл. 8: снижение критической температуры при заливке стали, обнаруживается при введении в смесь масла.
Можно полагать, что именно процессом науглероживания могут быть объяснены неудачи борьбы с пригаром стальных малоуглеродистых отливок при введении в смесь науглероживающих добавок, хотя они и создают восстановительную атмосферу.
Также частично снижением температуры плавления пригарного слоя может быть объяснено увеличение пригара при введении в смесь пирита, выделяющегося при нагреве серы.
Таблица 8
Влияние добавок на критическую температуру пригара стали
Средний состав стали: 0,3% углерода; 0,6% марганца; 0,3% кремния; 0,03% фосфора
и 0,03% серы
| Добавка | Критическая температура в С |
| Натриевый бентонит Крахмалистые добавки Масло Окалина Портланд – свинец | 1620 – 1640 1640 – 1660 1540 – 1560 1620 – 1640 1600 – 1620 |
2.7. Влияние окислительных добавок на пригар
В процессе заливки металл неизбежно окисляется. Однако в первый момент, благодаря недостаточной его окисленности, капиллярные силы препятствуют проникновению металла в поры формы. Вместе с тем за счет свободного кислорода, находящегося в порах, происходит дополнительное его окисление. Это вызывает увеличение смачиваемости и снижение критического давления, что способствует проникновению металла в поры формы. Одновременно при заливке увеличивается металлостатический напор.
Жидкий металл с повышенным содержанием кислорода в поверхностных слоях проникает в поры формы под действием сил капиллярного и металлостатического давлений. Проникший в поры формы твердый металл подвергается дальнейшему окислению, которое может протекать двояко.
В первом случае прожилки окисляются не полностью. Образующиеся окислы железа (FeO) растворяются в силикате, который прочно связывает металлические прожилки и зерна песка. Из-за малого содержания окислов железа силикат при затвердевании образует преимущественно стекловидную фазу. Указанный конгломерат прочно удерживается на поверхности отливки, а формовочная смесь отделяется по слою самой смеси: на поверхности отливки остается пригарная корка.
Во втором случае достигается полное окисление проникших прожилок металла, вследствие введения в формовочную смесь окислительных добавок [6].
Образующиеся окислы железа частично растворяются в силикате, а частично накапливаются на границе металла и пригарной корки. Благодаря повышенному содержанию окислов железа, силикат при затвердевании образует преимущественно кристаллическую фазу. При температуре ниже 560°С происходит распад фаялита в силикате на магнетит и железо, протекающий с увеличением объема—7, 15%. Кроме того, на поверхности раздела в слое окислов (преимущественно вюститном), в межзерновом пространстве, по микротрещинам и поверхности пор образуется магнетит. Указанные превращения дают начало микротрещинам в контактном слое. Этому способствует наличие в железистом силикате разнородных структур с преобладающим количеством кристаллических фаз. Благодаря усадочным процессам, возникшие микротрещины раскрываются и пригарная корка легко отделяется—либо самопроизвольно, либо под действием небольших дополнительных усилий. В этом случае наблюдается чистая поверхность, которая воспринимается как металлическая. Только в отдельных местах обнаруживаются остатки силикатов, отторженные частички кварцевых зерен пли отдельные песчинки.
Как уже было сказано, можно ожидать облегчения отделения поверхности отливки от поверхности формы при увеличении толщины пригарного слоя. При обдувании пригоревшей корки окислительным пламенем газовой горелки происходит не только увеличение толщины пригоревшего слоя, но и переход закиси железа FeO в окись Fе2O3, не вступающую в реакцию с кремнеземом. В результате ослабляются создавшиеся кристаллические связи, что вызывает отслаивание пригоревшей корки.
2.8. Смачиваемость
Образование механического пригара предотвращается если Ркап увеличивается, если уменьшается радиус пор, величина которых тем меньше, чем тоньше структура наполнителя. Ркап уменьшается при уменьшении величины поверхностного натяжения металла и снижении краевого угла смачивания. При стальном литье увеличение температуры стали приводит к увеличению поверхностного натяжения. Поверхностное натяжение стали существенно снижается при увеличении содержания в ней углерода, фосфора, серы, кислорода, азота. Поэтому увеличение содержания этих компонентов в стали может приводить к увеличению механического пригара.
Величина краевого угла смачивания зависит от ряда факторов: типа сплава, степени его окисленности, продолжительности контакта жидкой и твердой фаз, размера зерен формовочных смесей и др.
Из результатов экспериментальных исследований, проведенных И. В. Валисовским [4,2,13], отметим установленную зависимость степени смачивания от химического состава поверхностных слоев жидкого металла и формы. Чем больше химический потенциал реакций, протекающих на поверхности раздела металл-форма, тем меньше краевой угол смачивания.
Поэтому увеличение степени окисленности стали резко уменьшает краевой угол смачивания при изготовлении форм из кварцевого песка (рис.5) и значительно в меньшей мере при изготовлении форм из хромомагнезита или хромистого железняка (рис.5)[2].
Влияние размера зерен песка на условия смачивания зависит от контакта металла с поверхностью зерен и с газом, находящимся в порах смеси. Установлено, что при отрицательном смачивании (cos θ<0) независимо от газовой среды увеличение размера зерен приводит к значительному увеличению смачивания. При положительном смачивании (cos θ > 0) изменение размера зерен не влечет за собой изменения краевого угла смачивания.
Повышение температуры металла в пределах до 100°С над ликвидусом не изменяет величины краевого угла смачивания.
Эти и другие примеры свидетельствуют о том, что создание в форме нейтральной и восстановительной среды является благоприятным в ряде случаев стальных отливок, если поверхностные покрытия формы не науглероживают поверхности стальных отливок.
И. В. Валисовский, И. Б. Куманин и А. М. Лясс [9,4] изучали влияние различных крепителей на значение краевого угла смачивания формовочной смеси армко-железом. Опыты показали, что в условиях слабо окислительной атмосферы, т. е. в условиях близких к реальным, крепители ведут себя по-разному (табл.9). В смесях с крепителями органического происхождения, например с льняным маслом, образуется малый краевой угол смачивания (50°). Это объясняется науглероживанием металла, приводящим к возрастанию его жидкотекучести. При использовании смеси кварцевого песка с 6% жидкого стекла получается высокое значение краевого угла (106°), что объясняется малой пористостью этой смеси. Последнее является одной из причин, препятствующих проникновению металла в поры формовочной смеси.
На смачиваемость формовочных материалов расплавленным металлом и связанное с этим механическое проникновение металла в стенки формы оказывает влияние и характер газовой атмосферы в литейной форме. В условиях окислительной атмосферы, создаваемой углекислым газом, наименьший угол смачивания (52°) наблюдается на кислом материале (кварцевый песок), наибольший (90°)-на основном материале (магнезит) (табл.9).
В слабо окислительной атмосфере все формовочные смеси на кварцевой основе смачивались металлом, а основные формовочные материалы не смачивались (табл.9), причем по сравнению с окислительной атмосферой значения краевых углов возросли.
В нейтральной и восстановительной атмосферах отсутствует взаимодействие между жидким железом и формовочным материалом. Поэтому краевой угол армко-железа на формовочных смесях резко возрастает, и смачивание становится отрицательным. Данные но смачиваемости различных формовочных материалов в нейтральной атмосфере приведены в табл.9.
При переходе от слабо окислительной атмосферы к нейтральной несколько возрастает смачиваемость хромистого железняка армко-железом. Это объясняется восстановлением окиси железа, входящей в состав хромистого железняка, железом с образованием закиси железа. Образующаяся закись железа растворяется в жидком металле, и сродство жидкого металла с хромистым железняком увеличивается. Образование и растворение закиси железа в жидком металле при применении хромистого железняка подтверждается фактом повышенного содержания кислорода в металле после проведения опыта.
Так, при применении кварцевого песка армко-железо после проведения опыта содержало 0, 0128% кислорода, при применении хромистого железняка содержание кислорода в металле возрастало почти в 4 раза (0, 042%). Процесс растворения закиси железа в металле, хотя и в несколько более слабой степени, протекает и при смачивании армко-железом хромомагнезита.
Из данных работы И. В. Валиссовского и др.[13,4] вытекает, что для уменьшения смачиваемости формы жидким металлом и предотвращения механического проникновения металла в поры песчаной формовочной смеси следует создавать в литейной форме условия, исключающие окисление жидкого металла. Практически это может быть достигнуто введением в формовочную смесь углеродистых противопригарных добавок (каменноугольной пыли, мазута, сланцевой смолы, древесных опилок и т. д.).
Таблица9
Смачиваемость формовочных материалов металлом
Смесь | Состав, | Смачиваемость в момент расплавления | ||
| В слабо окислительной атмосфере | в нейтральной атмосфере | В окислительной атмосфере | ||
| θ град. | θ град | θ град | ||
| Кварцевый песок Сульфитная барда | 98 2 | 68 | 119 | - |
| Кварцевый песок | 100 | 83 | 111 | 52 |
| Маршалит | 100 | 90 | 105 | 90 |
| Хромистый железняк | 100 | 93 | 81 | - |
| Хромомагнезит | 100 | 101 | 102 | 63 |
| Кварцевый песок Жидкое стекло | 94 6 | 106 | 118 | - |
| Кварцевый песок Льняное масло | 98 2 | 50 | 131 | - |
| Магнезит | 100 | 107 | 113 | 90 |
При применении формовочных смесей на основе хромомагнезита, хромистого железняка и магнезита отпадает необходимость создания восстановительной атмосферы в форме, так как в этом случае краевой угол смачивания в условиях окислительной атмосферы практически не меняется.
Рис.5 Влияние содержания кислорода в железе на краевой угол.
Таким образом, применять хромомагнезит и хромистый железняк особенно эффективно при наличии в форме окислительной среды.
В случае нейтральной или восстановительной среды вполне удовлетворительные результаты дает использование кварцевых песков.
2.9. Влияние состава формовочной смеси
Возможность формирования легкоотделимого пригара за счет изменения состава сплава и температуры заливки весьма ограничено.
Управлять процессами образования химического пригара можно лишь изменяя состав формовочной смеси[4]. Необходимо учитывать, что первоначальные формовочные материалы выбирают из условий предотвращения образования металлизированного пригара.
На рис.6 приведены данные термомагнитного анализа, характеризующие взаимодействие некоторых формовочных материалов без связующих со сталью ЗОЛ при 1000 °С, из которых следует, что характер взаимодействия зависит как от природы материалов, так и от продолжительности выдержки[4,10]. В наибольшей степени сталь окисляется при контакте с хромитовыми и хромомагнезитовыми песками: через 3, 5 ч содержание неокисленного железа в образцах снижалось соответственно до 40 и 46%. Меньше сталь окисляется при контакте с кварцевым песком, при этом образуется и минимальное количество парамагнитных соединений, в том числе и вюстита. В остальных образцах количество вюститной фазы довольно большое; максимальное содержание вюстита наблюдается в продуктах взаимодействия углеродистой стали с хромитом.
В литейной форме продукты окисления отливки или взаимодействия окислов металла с формовочными материалами не остаются в зоне реакции, а под действием капиллярных сил проникают в толщу формы, определяя тем самым толщину химического пригара.
При температуре 1500 в жидком состоянии находится закись железа (температура плавления 1371°С), а образование окиси железа (1457С) маловероятно. В случае контакта стали ЗОЛ с хромитом и хромомагнезитом на границе раздела образуется большее количество окислов и толщина химического пригара максимальна.
Рентгеноструктурный анализ пригара, образовавшегося при использовании смеси на основе хромистого железняка, показал наличие Fe3O4 и следов фаялита Fe2SiO4. Зерна хромистого железняка окружены аморфным стеклом неременного состава; встречаются незначительные участки с мелкими кристаллами фаялита. Однако количество железистого стекла в этом случае меньше, чем в пригаре при использовании кварцевой смеси. Очевидно, железистые стекла образовались лишь в результате взаимодействия силиката натрия (которого в смеси мало) и окислов железа, основная же часть окислов либо существует в виде самостоятельной фазы, либо, взаимодействуя с огнеупорным наполнителем, входит в состав различных шпинелей, образующих хромит. Аналогичная картина наблюдается и при использовании хромомагнезитовой смеси. При взаимодействии расплава углеродистой стали с цирконовыми и корундовыми смесями образуется пригар, состоящий из зерен наполнителя и железистого стекла, на фоне которого изредка встречаются небольшие участки с мелкими зернами фаялита.
Таким образом, химический пригар, появившийся в процессе взаимодействия углеродистой стали со смесями на основе различных наполнителей, состоит из зерен песка, сцементированных железистым стеклом: каких-либо соединений, кроме фаялит;), и заметном количестве в нем обнаружено не было, хотя термодинамически образование их возможно, например, герцинита (FeAlaOl). Во всех случаях слой пригара отделен от металла окалиной, прочность которой и определяет силы связи пригара с отливкой. Влияние наполнителя смеси сказывается лини, в той степени, в какой он может затормозить или ускорить окисление отливки с поверхности и способствовать образованию окисного слоя определенной структуры.
На рис.7 показана кинетика взаимодействия стали ОХ12НДЛ с различными формовочными материалами при 1000°. Окисление хромистой стали в контакте с формовочными материалами происходит довольно интенсивно. По мере увеличения продолжительности контакта с рутилом и кварцем непрерывно увеличивается содержание магнетита и окалине
С увеличением времени выдержки глубина проникновения на всех материалах. кроме корунда, возрастала; в корундовые смеси глубина проникновения в течение 30 мин была минимальной. Наибольшая глубина проникновения наблюдалась в смесь на кварцевом песке.
На рис.9 приведено влияние продолжительности выдержки стали 12Х18Н9ТЛ при 1500 °С на толщину химического пригара. И здесь минимальный пригар наблюдается на корундовых смесях. Очевидно, что корундовые смеси обеспечивают минимальный пригар и наилучшую поверхность отливок из всех хромистых и хромоникелевых сплавов.
2.10. Влияние газопроницаемости формы
Газопроницаемость может влиять на пригар только косвенно: повышение газопроницаемости связано с увеличением зерна[3,2,10].
Допуская, что связь между газопроницаемостью К и диаметром зерна 2r выражается формулой:
можно принять в среднем
Следовательно, даже при повышении газопроницаемости вдвое и при пренебрежении давлением
Обычно стремятся создать в форме направленный газовый режим, для чего повышают плотность только поверхности формы (нанесением противопригарной краски), а в последующих слоях, по мере удаления от поверхности контакта металл-форма, газопроницаемость повышают снижением степени уплотнения или накалыванием вентиляционных отверстий.
3.Мероприятия сокращающие пригар на отливках.
3.1. Классификация методов борьбы с пригаром
.
Эти методы можно разделить на несколько групп по признакам связанным с величинами, входящими в формулу (2)
1) с продолжительностью затвердевания и приведенной толщиной стенок детали;
2) с величиной пор формовочной смеси
3) с высотою отливки, определяющей напор металла;
4) с активностью металла, определяющей смачиваемость;
5) с созданием условий препятствующих образованию промежуточных соединений
6) с изменением огнеупорности
7) с увеличением промежуточного соединения
Рассмотрим эти методы более подробно
При изготовлении средних стальных отливок применяют часто смеси, содержащие кварцевую муку. Высушенные формы крупных отливок окрашивают. В формах очень крупных отливок, когда невозможно надежно обеспечить восстановительную атмосферу может оказаться действенным средством создание окислительной атмосферы на поверхности формы, чтобы увеличить толщину пригарного слоя и облегчить его удаление с поверхности отливки.
3.2. Сокращение химического пригара
В последнее время наметились следующие основные пути предупреждения химического пригара: предохранение металла в форме от окисления; создание между поверхностью отливки и коркой пригара пленки окислов оптимальной толщины с целью получения легкоотделяемого пригара; применение покрытий и формовочных материалов повышенной огнеупорности и химически инертных к металлу и его окислам.
По результатам исследований были разработаны практические рекомендации по предотвращению пригара на отливках из углеродистой стали[14,13,11].
При изготовлении отливок с толщиной стенки до 10-12 мм целесообразнее получать малоразвитый пригар стадия а (см. рис. 1), для чего в смесь необходимо добавлять органические вещества, образующие восстановительные газы (битум, мазут, каменноугольная пыль и др.), замедляющие окисление металла и, следовательно, наступление стадии б в строении пригара (см. рис.1). На отливках со стенками 10-35 мм из-за большого времени воздействия высокой температуры процесс развивается до стадии трудно отделимого пригара (см. рис.1б). Органические добавки здесь уже малоэффективны, но покрытия на основе маршалита, глинозема, циркона, корунда, алюминиевой пудры снова позволяют получать малоразвитый пригар. Отливки с толщиной стенок свыше 35 мм получаются с легкоотделимым пригаром, так как процессы переходят в стадию в. Добавки в смесь, создающие восстановительные газы, которые могут задержать развитие процессов на стадии б, в этом случае вредны. Нежелательны глины, шпаты, шлаки и т. д., увеличивающие вязкость и снижающие скорость миграции контактного расплава в форму. При использовании песчано-глинистых смесей для отливок с толщиной стенки до 20-25 мм из исходного песка должны быть удалены глина, пыль; в формовочной смеси не должны быть остатков жидкостекольной смеси, примесей железных руд, шпатов и других легко спекающихся плавней. Добавка в смесь малозольных веществ (мазута, раствора битума) дает положительные результаты. Небольшие 0,2-2% добавки в формовочную смесь Мg2СО3, NaCl и других солей, а также замена глин бентонитами создают условия для получения; легкоотделимого пригара. Формы отливок со стенками 25-50 мм рекомендуется покрывать красками или пастами на основе маршалита, циркона, корунда, таккак при таких толщинах отливок наступает трудноотделимая стадия; пригара б (см. рис.1).
Наружные сферические поверхности отливок со стенкам 50-70 мм получаются с легкоотделимым пригаром в (см рис.1). Здесь сказываются усадка металла и прочность формы в горячем состоянии, чему способствует зазор. Увеличит прочность формы при высокой температуре можно добавкам в исходную смесь жидкого стекла, железных руд и других плавней. Внутренние поверхности таких отливок рекомендуется покрывать пастами или облицовками на основе циркона корунда, хромомагнезита и магнезита.
В формах из песчано-масляных и песчано-смоляных смесей отливки с толщиной стенки до 15-25 мм получаются с мало развитым пригаром. Песок в этом случае должен быть очищенным от глин и других плавней, а крепители не должны после выгорания оставлять много золы. Более толстостенные отливки следует изготовлять с применением высокоогнеупорных покрытий из маршалита, циркона (для стенок 30-60 мм) и корунда, хромомагнезита, магнезита (для стенок толщиной более 60 мм).
При превышении критического напора металла в форме следует применять либо более мелкозернистые пески, либо специальные мелкозернистые высокоогнеупорные материалы в виде покрытий и облицовок на формах. Характер атмосферы в форме после заливки при применении перечисленных высокоогнеупорных материалов влияет менее заметно, чем при применении кварцевых песков. С увеличением окислительной способности газов лишь несколько снижается огнеупорная стойкость противопригарного покрытия, особенно на основе маршалита и циркона. Меры по устранению пригар сводятся к подбору вида покрытия в зависимости от толщины стенки. Для форм отливок с толщиной стенки 20-25 мм достаточно маршалитовых красок. Формы отливок со стенками 25-50 мм требуют покрытия красками или пастами на основе глинозема, циркона или корунда.
Формы более толстостенных отливок целесообразно покрывать пастами на основе корунда, хромомагнезита магнезита[10,1].
3.3. Сокращение пористости
Для уменьшения проникновения металла в форму необходимо сократить размер пор на ее поверхности. Для этого применяются следующие методы: уменьшается размер зерновых составляющих, увеличивается уплотняемость формовочных материалов, на поверхность формы наносятся краски и применяют спекающиеся формовочные смеси. На основание этих данных проанализируем их.
3.3.1. Уменьшение размеров зерна
Зерновые составляющие изменяют сопротивление проходу пригарного вещества в глубь формы. Чтобы снизить механический пригар, прежде всего надо сократить размер пор в поверхностном слое формы. Для этого применяют более мелкие пески или в крупные и среднезернистые пески вводят мелкие фракции, в том числе пылевидный кварц[2,3,6,9,10,13].
Средняя величина зерна определяется главным образом требованиями газопроницаемости. Уменьшение газопроницаемости может быть достигнуто применением более мелкого песка и добавлением более мелких зерен к более крупным. Во втором случае можно опасаться увеличения скорости образования промежуточных пригарных соединений, что увеличивает пригар. При одинаковой газопроницаемости пригар будет меньше у смеси однородных, но более мелких зерен, по сравнению со смесью из более крупных и мелких зерен. Однако при однородном песке увеличивается опасность образования ужимин.
По влиянию количества добавляемых мелких зерен на относительный пригар можно различать три области (рис.11)[3]: I- количество добавляемых мелких зерен недостаточно и их влияние неэффективно; II-достигается наибольшая эффективность при определенном соотношении между крупными и мелкими зернами; III-ухудшаются технологические свойства главным образом за счет изменения физико-химических свойств смеси.
Влияние зернового состава на физико-химические свойства формы связано с изменением величины зерна и их минералогического и химического состава.
В работе изучалось влияние размера зерен песка на глубину проникновения металла в поры формовочной смеси.
Смесь с песком № 2 являлась стандартной, с результатами испытания которой сравнивались результаты испытаний других смесей. На Рис.13 видно, что в форму из смеси с мелкозернистым песком № 1 при различном металлостатическом давлении сталь не проникает. В форму из смеси с песком № 2 обнаруживается проникновение при давлении металла 450-650 мм, с песком № 3- при 400-650 мм, а с песком № 4 - уже при давлении 200 мм и выше. Этот опыт показал, что с повышением размера зерен песка, в связи с увеличением размера пор, уменьшается давление начала проникновения металла в поры смеси.
На Рис.14 показано влияние добавок кварцевой муки к смеси стандартного состава. Опыты показали, что при добавке кварцевой муки в количестве 20% происходит незначительное повышение минимального давления проникновения металла, глубина же проникновения при этом уменьшается.
Представляют большой практический интерес опыты, проведенные со смесями приблизительно одинаковой газопроницаемости (около 100 единиц), но содержащими песок с различной степенью однородности. С этой целью в однородный песок различной крупности добавлялось определенное количество кварцевой муки. Результаты этих опытов (рис.15) (показывают, что для уменьшения пригара предпочтительнее применять мелкий песок с однородными зернами. Добавки цирконовой муки, вместо кварцевой, как показывает рис.15, не уменьшают пригара.
Влияние размера зерен песка на образование механического пригара изучалось и в работе[13] . Смеси составлялись из 90% песка, 10% огнеупорной глины и 3% (сверх 100) сульфитного щелока. Зерновая часть смесей готовилась из двух песков (крупного марки К04Б и мелкого марки К016А), вводимых в смесь в различной пропорции.
Таблица 10
Влияние зернового состава песка на глубину проникновения жидкой стали в поры формовочной смеси
| Состав песка в смеси, % | Газопроницаемость форм, ед. | Средняя глубина проникновения стали, мм | |
| крупный | мелкий | ||
| 100 90 80 70 60 50 40 30 20 0 | 0 10 20 30 40 50 60 70 80 100 | 287 193 167 151 138 122 102 93 88 75 | 0, 5 0, 4 0, 3 0, 25 - 0, 18 0, 15 0, 12 0, 09 0, 07 |
Форма заливалась сталью 35Л при температуре 1620°С. Результаты опытов представленные в табл.10, показывают закономерное уменьшение глубины проникновения стали в форму по мере уменьшения крупности зерен песка.
Приведенные данные еще раз показывают, что одним из эффективных и доступных средств уменьшения механического пригара является применение мелкозернистого песка. Чем мельче применяемый песок, тем меньше размер пор формовочной смеси и тем выше, следовательно, капиллярные силы, противодействующие проникновению жидкого металла.
В табл.11 указана величина механического пригара на отливках из стали высоколегированных хромоникелевых толщиной 50 мм в зависимости от размеров зерен материалов; связующим материалом во всех смесях было жидкое стекло[5].
Таблица 11
Величина пригара в зависимости от размеров зерен материалов
| Материалы | Глубина проникновения стали в мм при размерах зерен песка в мм | ||||||
| 0,4-0,62 | 0,315-0,39 | 0,25-0,30 | 0,16-0,24 | 0,10-0,15 | 0,063-0,09 | менее 0,063 | |
| Кварцевый песок......…… Хромомагнезит.......…….. Магнезит..........…………. Шамот..........…………….. Кианит...........…………… Оливин...........…………… Корунд белый........……... Рутиловый концентрат… | 2,2 1,3 2,2 2,9 1,8 1,6 - - | 2,0 1,3 1,7 2,2 1,7 1,0 - - | 1,8 1,0 1,8 1,9 1,3 0,9 - - | 1,5 1,3 1,65 1,5 0,9 0,7 - 0,0 | 1,4 0,6 1,4 0,5 0,6 0,8 0,4 0,0 | 0,8 0,0 0,6 0,5 0,3 0,2 0,2 0,0 | 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 - - - |
Как видно, пригар существенно уменьшается с уменьшением размеров зерен, а конечная глубина проникновения металла сокращается быстрее у материалов с повышенными теплоизоляционными свойствами. Так, при уменьшении зерен с 0,4 - 0,62 до 0,063 - 0,09 мм глубина проникновения стали в кварцевый песок сократилась в 2,75 раза, в шамот - в 5,8 , в кианит - в 6 раз.
Величина пригара на хромомагнезитовой смеси при изменении размеров зерен с 0,4 - 0,62 до 0,16 - 0,24 мм не изменилась, и только после уменьшения зернистости до 0,10 - 0,15 она резко сократилась.
При размерах зерен менее 0,06 мм для большинства смесей пригар отсутствовал, для хромомагнезитовых смесей он был исключен при размере зерен 0,063 - 0,09 мм, а для рутиловых - при 0,16 - 0,24 мм.
Аналогичные диаграммы можно составить для любой стали. На рис.17 показана поверхность опытных отливок толщиной 60 мм из стали Х15Н25В5ТЮ2, полученных в формах из корундовых песков одинакового химического, но различного гранулометрического состава. Для отливки а использовали смесь фракций 0,16 и 0,1 корундового песка (33% и 66% соответственно), для отливки б смесь фракций 0,063-0,05-(-005) в количестве 51-27-21% соответственно. Форма для отливки в была покрыта слоем краски из мелкодисперсного корунда (более 95% фракции -005).Как видно, с уменьшением зерен корунда до 0,063 мм и менее пригар полностью исчез.
Уменьшение величины зерен песка увеличивает поверхность соприкосновения пригарного вещества с поверхностью формы и, следовательно, опасность появления пригара, однако в этом случае возможно и уменьшение опасности образования пригара из-за уменьшения глубины проникновения пригарного образования в форму.
Таким образом, исследования показали, что при наличии высокого металлостатического давления одним из эффективных средств уменьшения пригара является применение мелкозернистого песка, имеющего низкую газопроницаемость.
Исключить образование механического пригара на стальных отливках можно, только используя весьма мелкие формовочные материалы. Естественно, что материалы с таким зерновым составом пригодны лишь для красок и паст.
3.3.2. Повышение степени уплотнения формы
Уменьшение размеров пор происходит не только при уменьшении размеров зерна, но и при увеличении уплотнения смеси. Это подтверждается результатами опытов, приведенных в табл.12[2]сталь заливалась при температуре 1680˚С.
Таблица 12
Влияние уплотнения на глубину проникновения пригарного слоя в форму
| Количество ударов бабы копра | Песок крупный К063Б (0,31) | Песок мелкий К016А (0,08) | ||
| Глубина в мм | Твердость в единицах | Глубина в мм | Твердость в единицах | |
| 1 2 3 7 10 15 | 0,46 0,44 0,39 0,45 0,40 0,37 | 44,0 66,9 70,0 78,0 78,3 81,0 | 0,24 0,26 0,25 0,16 0,15 0,12 | 58,5 66,8 72,0 85,0 87,5 88,0 |
Из рассмотрения результатов опытов можно сделать выводы:
1. Глубина проникновения пригарного слоя не пропорциональна увеличению количества ударов бабы копра.
2. Не наблюдается четкой закономерности между глубиной проникновения и поверхностной твердостью формы.
Такая же малая зависимость глубины проникновения от поверхности твердости в границах 25-75 наблюдалась при весе отливки до 15 кг. При весе отливки 500 кг наблюдалось уменьшение пригара только при увеличении поверхностной твердости свыше 65 единиц. Из табл. 4 видно, что для смесей типа К063Б и К016А «критическая твердость» наступает при превышении приблизительно 80 единиц.
В работе[13] изучали влияние уплотнения смеси на глубину проникновения стали, используя песок марки 016А и пылевидный кварц. Температура заливки стали составляла 1560°. Полученные данные (Рис.18) показывают, что средняя величина выступов Нср уменьшается с повышением уплотнения формовочной смеси. Более заметно это проявляется при уплотнении смеси до 10 кг/см2. Дальнейшее повышение давления не оказывает заметного влияния на изменение глубины проникновения стали.
Таблица 13
Влияние степени уплотнения смесей на глубину проникновения жидкой стали
| Песок для форм | Степень уплотнения, единиц, по твердомеру | Газопроницаемость, единиц | Средняя глубина проникновения, мм. |
| Крупный марки К04Б | 50 65 80 85 91 | 710 460 340 285 200 | 0, 8 0, 5 0, 3 0, 2 0, 2 |
| Мелкий марки К016А | 45 57 70 85 91 | 138 120 102 30 19 | 0, 2 0, 1 0, 09 0, 08 0, 07 |
Д. И. Лоськовым и Г. Л. Хазаном[13] изучалось влияние степени уплотнения смесей на проникновение в форму жидкого металла. Степень уплотнения менялась от 50 до 90 единиц по твердомеру. Проба заливалась сталью 35Л при температуре 1620°С. Результаты опытов представлены в табл.13.
Говоря о влиянии уплотнения смесей на глубину проникновения металла в форму, следует особо подчеркнуть влияние другого связанного с этим фактора-теплопроводности формы. Чем сильнее уплотнена смесь в форме, тем больше ее теплопроводность и тем меньше глубина проникновения.
Приведенные данные показывают, что глубина проникновения стали в поры формовочной смеси при данной температуре металла зависит от зернового состава смеси и степени ее уплотнения. Чем крупнее песок и чем меньше уплотнение смеси, тем больше глубина проникновения. Влияние степени уплотнения особенно заметно при применении крупного песка. Объясняется это тем, что с увеличением размера зерен песка возрастает его уплотняемость. При применении мелкозернистого песка поры в формовочной смеси получаются настолько малыми, что высокая степень уплотнения практически не оказывает заметного влияния на глубину проникновения металла в стенки формы.
Однако повышение степени уплотнения смеси увеличивает ее термическое расширение, с которым связано образование другого дефекта поверхности отливок-ужимин.
3.3.3. Спекающиеся смеси
Очевидно, что противопригарные свойства материалов определяются не только их металлофобностью. Хромомагнезит смачивается хромоникелевой сталью значительно лучше, чем кремнезем: краевые углы смачивания 110 и 120° соответственно, а пригар на отливках практически одинаков. Для выяснения причин этого несоответствия проверяли отношение некоторых материалов к нагреву. На рис.19, а приведены результаты дилатометрических испытаний жидкостекольных смесей из кварцевого песка 1 хромомагнезита 2 и хромистого железняка 3; на рис.19, б - корунда 1, дунита 2 и шамота 3[5]. Вначале у всех смесей дается довольно резкое расширение, а затем усадка, связанная, по-видимому, с расплавлением жидкого стекла; после этого у кварцевого песка (группа 1) вновь начинается значительное расширение, у корунда и дунита (II) заметное изменение объема не наблюдается, а у хромистого железняка, шамота и в меньшей степени у хромомагнезита (III) при повышении температуры продолжается усадка за счет протекание процессов спекания. Ко второй группе материалов относятся также циркон, магнезит и оливин, а к третьей - рутил.
Естественно, что спекание уменьшает пористость формовочной смеси, и проникновение металла в поры формы, что было установлено прямым экспериментом (табл.14)[10,5].
Таблица 14
Уменьшение пористости смеси в зависимости от ее химического состава при нагреве
| № пробы хромистого железняка | Содержание основных компонентов в % | Пористость в % | Относительное уменьшение пористости в % | ||||||
| Cr2O3 | Fe2O3 | Al2O3 | CaO+MgO | SiO2 | п.п.п. | исходная при стандартном уплотнение | После нагрева до 1500 С | ||
| 1 2 3 4 | 54, 0 61, 0 20, 9 56, 5 | 14, 8 16, 8 7, 6 15, 2 | 6, 7 8, 2 1, 4 7, 8 | 17, 5 13, 3 5, 4 15, 2 | 6, 2 1, 0 60, 5 3, 25 | 1, 7 0, 9 0, 8 2, 2 | 47 42 45 43 | 32 24 32 28 | 32 43 29 32, 5 |
Было замечено, что максимальное уменьшение пористости смеси из хромистого железняка наблюдается при наибольшем содержании Сг2Оз и Fе2Оз. При добавлении жидкого стекла, силикаты натрия будут влиять как плавни, т. е. снижать температуру спекания еще полнее и с еще большим уменьшением пористости. При заливке поверхность формы находится под давлением столба металла и в случае спекающихся материалов величина механического пригара при увеличении металлостатического давления может не только не возрастать, но даже и уменьшаться. В табл.15 приведены опытные данные по величине пригара на отливках из стали Х15Н25В5ТЮ2 при использовании некоторых жидкостекольных смесей с одинаковым зерновым составом наполнителей и содержанием жидкого стекла.
Таблица 15
Величина пригара на отливках из стали Х15Н25В5ТЮ2 при использовании смесей с одинаковым зерновым составом наполнителей и содержанием жидкого стекла.
| Наполнители смеси | Группа смеси | Глубина проникновения стали (в мм) в смеси при давлении в кГ/см² | |
| 1, 2 | 3, 8 | ||
| Кварцевый песок Магнезит Хромомагнезит Хромистый железняк Шлак дробленый | Расширяющаяся Нерасширяющаяся Слабо спекающаяся Сильно спекающаяся Спекающаяся в монолит | 1, 0 0, 9 0, 9 1, 3 0, 6 | 2, 0 1 ,5 1, 0 1,0 0, 1 |
Как видно, величина пригара изменяется при увеличении металлостатического давления различно в зависимости от наполнителя. Так, если при увеличении давления с 1, 2 до 3, 8 кГ/см2 глубина проникновения стали в кварцевую смесь возросла вдвое, то в магнезитовую - на 67%, в хромомагнезитовую - не изменялась, в хромитовую - заметно уменьшилась, а в шлаковую - уменьшилась в 6 раз. Приведенные данные хорошо согласуются с некоторыми прежними исследованиями.
Спекание смесей является свойством не только огнеупорного материала, но общим свойством системы огнеупорный материал - связующее. Использование хромомагнезитовых или хромитовых материалов в смеси не с жидким стеклом, а с другими связующими, например, с органическими крепителями, может либо не привести к спеканию, либо вызвать его в незначительной степени. Естественно, что мелкодисперсные частицы способствуют спеканию огнеупорных наполнителей, и в хромомагнезитовых и хромитовых пастах и красках противопригарное покрытие спекается при любом связующем. Покрытия из сильно спекающихся материалов (хромистый железняк, шамот) необходимо наносить сравнительно более толстым слоем, чем покрытия из неспекающихся материалов.
Результаты опытов позволяют сделать вывод, что при производстве отливок из высоколегированных хромоникелевых сталей предотвратить механический пригар можно, лишь используя мелкодисперсные формовочные материалы. Противопригарные свойства материалов характеризуются либо их металлофобностью, либо склонностью к спеканию при высоких температурах; теплофизические свойства формы имеют второстепенное значение и в большинстве случаев не могут являться критерием при выборе противопригарных материалов. Исходя из этого, в качестве противопригарных материалов в производстве отливок из хромоникелевой стали, могут быть рекомендованы рутил, корунд и шамот.
3.4. Изменение температуры заливки
По формуле (1) на пригар влияет изменение абсолютной температуры. По этой причине температура способствует увеличению пригара, но это влияние может оказаться не пропорциональным перегреву, что подтверждается практическим наблюдением.
Непосредственные исследования подтверждают также возможность установления для конкретных условий проведения опытов некоторой критической температуры (табл.16)[2].
Таблица 16
Влияние температуры стали на глубину проникновения окислов и на их
состав[2]
| Крупный песок типа К063Б | Мелкий песок типа К016А | ||
| Температура заливки t в °С | Глубина проникновения окислов в мм | Температура заливки t в °С | Глубина проникновения окислов в мм |
| 1534 1560 1580 1600 1620 1640 1660 | 0,08 0,05 0,04 0,05 0,05 0,30 0,31 | 1560 1580 1600 1620 1640 1660 1680 1700 1725 | 0,06 0,04 0,12 0,13 0,15 0,11 0,15 0,16 0,12 |
Из рассмотрения таблицы можно сделать вывод критическая температура для крупного песка составляет 1580° С, а для мелкого песка-1620° С. При превышении ее глубина проникновения окислов сразу увеличивается от 0,05 до 0,30 мм. Четкой закономерности изменения состава окислов обнаружить не удается.
На Рис.21 представлены результаты опытов Б. Б. Гуляева и Ю. Ф. Боровского[10] по изучению влияния температуры заливки на глубину проникновения жидкого металла в стенки формы. Кривая 1 относится к смеси, изготовленной из кварцевого песка марки К016А, кривая 2 к смеси из молотого хромомагнезита, кривая 3 к смеси из хромистого железняка с зерновым составом, примерно соответствующим кварцевому песку. На Рис.21 видно, что глубина проникновения стали особенно резко возрастает с по
