Реферат: Анализ методов сокращения пригара на стальном литье

Содержание

стр.

Введение

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 Выводы 61

Список использованной литературы

62 Введение

Пригар на отливках является одним из самых распространенныхдефектов, значительно увеличивающим трудоемкость обрубных и очистных работ.

На протяжении многих лет литейщики изучают механизмобразования пригара и разрабатывают методы борьбы с ним. Однако до сих пор ещене найдены способы полного устранения пригара во всех случаях практики. Такоеположение объясняется чрезвычайной сложностью процессов, происходящих на поверхностираздела металл-форма и приводящих к образованию пригара.

Пригаром обычно называют неметаллическую корку, прочноудерживаемую на поверхности отливки и состоящую из зерен формовочного материалаи цементирующего вещества.

Разделение пригара на разные виды, является условным, и вреальных отливках можно обнаружить одновременное существование всех или, покрайней мере, двух видов пригаров. Следовательно, пригар на отливках всегдабывает комбинированным. В условиях формы заливаемый металл в большей илименьшей степени покрыт окислами, резко меняющими характер проникновения металлав поры формовочной смеси. Установлено, что струйки металла, проникающие в порыформы, покрыты пленкой окислов железа. Следовательно, механическому пригарусопутствует и способствует химический пригар.

Однако не всякий пригар вызывает необходимость борьбы сним. Часто образовавшаяся пригарная корка легко отделяется от отливки припоследующем охлаждении. Это так называемый легкоотделимый пригар. Иногда борьбас пригаром сводится не к предупреждению образования пригара, а к получению легкоотделимогопригара вместо трудноотделимого.

Встречающиеся на практике такие дефекты отливок, как«просечка» и «металлизация» представляют собой разновидности химического,термического и механического пригаров. Поэтому способы предотвращения указанныхдефектов являются общими со способами предотвращения пригара на отливках.

Образование пригара определяется многими факторами,зависящими от свойств металла, от свойств формовочных смесей и технологическихусловий заливки. На образование пригара, с одной стороны, влияют химическийсостав металла, его вязкость и жидкотекучесть, степень раскисленности металла,его капиллярные свойства (поверхностное натяжение и способность смачиватьстенки формы) и т. д. С другой стороны, возникновение или отсутствие пригараопределяется огнеупорностью, химическим и зерновым составом формовочныхматериалов, 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, соотношениекоэффициентов расширения и сжатия металла и формовочных материалов и др.,существенно влияют на образование пригара и на прочность сцепления его с отливкой.

Изизложенного выше следует, что при изучении взаимодействия металла и формыприходится сталкиваться с очень большим числом переменных во времени факторов,определяющих величину и характер пригара. Учесть влияние каждого из них невсегда представляется возможным. Поэтому трудно представить такую методику,которая позволила бы дать универсальную оценку противопригарных свойствформовочных смесей. Противопригарные свойства смесей есть комплекс многихсвойств металла и формовочных материалов, а также условий заливки металла вформу. Нельзя говорить о противопригарных свойствах данной смеси вообще безучета свойств металла. Известно, что смеси, позволяющие получать чистые отпригара отливки из одного сплава, оказываются непригодными для отливок издругих сплавов.

Сложность процессов взаимодействия металла и формывынуждает литейщиков идти по двум путям оценки противопригарных свойств. Первыйпуть заключается в том, чтобы раздельно изучать один или небольшую группу факторов,преимущественно влияющих на какой-либо вид пригара. Он дает более общиерешения, позволяет строить теоретические основы процессов взаимодействияметалла и формы, а также оценивать интересующие нас свойства смеси в физическихединицах измерения.

Второй путь состоит в применении различных технологическихпроб. Образование пригара изучают в условиях, близких к практическим, т. е.изучают комплексный пригар с преобладанием того или иного вида пригара. Оценкупротивопригарных свойств смеси производят либо качественно, либо по какому-нибудьусловному количественному критерию.

Целью данной работы является анализ методов, сокращенияпригара, на основании литературных данных.

1.Классификация видов пригара1.1. Термическийпригар

Возникает вследствие оплавления материала формы подвлиянием теплоты залитого металла. Он появляется всякий раз при использованиидля приготовления формовочных смесей песков и глин с недостаточнойогнеупорностью. Такой пригар большей частью легко отстает от поверхностиотливок в виде толстой «шубы», но отливка имеет неровную серую поверхность сточечными включениями нерасплавившегося кварца. Оплавление формовочногоматериала сопровождается газовыделением и образованием поверхностных газовыхраковин.

1.2. Механическийпригар

Образуется вследствие проникновения расплавленного металлав поры формы. Для того чтобы возник механический пригар, металл долженвнедриться в поры формы на глубину не меньше диаметра зерна формовочной смеси.При этом на поверхности отливки возникает сетка из металла и зерен формовочнойсмеси, удалить которую можно только вырубкой совместно с поверхностным слоемотливки. Механизм образования механического пригара можно представить следующимобразом. Поступая в форму, жидкий металл соприкасается с еще холодными еестенками и охлаждается с поверхности, в результате на поверхности отливкиобразуется затвердевшая корка. Толщина этой корки зависит от температурызаливаемого металла, температуры и теплоаккумулирующей способности формы идругих факторов. Если отливка сравнительно тонкостенная, то теплоты,выделяющейся при последующей кристаллизации всей массы отливки, оказывается недостаточнодля того, чтобы вновь расплавить первоначально образовавшуюся корку и сноваобеспечить уже более длительный контакт жидкого металла со стенками формы. Вэтих условиях механический пригар образоваться не может.

Если же в равных условиях заливают крупную толстостеннуюотливку, то образовавшаяся вначале корка вновь расплавится под действиемтеплоты затвердевающей отливки и жидкий металл войдет в контакт со стенкамиформы. Однако внедрение его в поры формы начинается не сразу, поскольку формовочныематериалы подбирают так, чтобы они не смачивались жидким металлом.

В этих условиях, как известно, возникает капиллярноепротиводавление pk, противодействующее внедрению жидкости в капилляры. Крометого, проникновению металла будет препятствовать сравнительно низкаятемпература формы. По мере прогревания стенок формы из формовочной смесивыделяются водяные пары и газы, создающие в порах газовое противодавление рr, которое также препятствует проникновению металла.

Когда же прилежащие к отливке слои формы нагреваются дотемпературы ликвидуса заливаемого сплава, проникновение неокисленного металластановится возможным. Для начала проникновения металла необходимо создать металлостатическоедавление рм, которое должно быть равно или превосходить по величинесумму капиллярного и газового противодавления, т. е. для образованиямеханического пригара необходимо выполнить условие:

pм = pк + рr.

Металлостатическоедавление, при котором начинается проникновение расплава, называют критическим.

В холодной форме, если давление металла на стенку формыравно критическому, металл проникнет в поры формы на глубину не более половиныдиаметра зерна, т. е. на доли миллиметра. При прогревании поверхности формы металл,находясь под критическим давлением, будет проникать в глубь формы по мерераспространения изотермы, соответствующей температуре плавления металла.

Если формовочная смесь смачивается жидким металлом, топоследний проникает (всасывается) в поры формы без приложения к жидкому металлувнешнего давления. Проникновению способствует неизбежное окисление металла привыплавке и заливке, поскольку окислы смачивают формовочный материал.

Механизм образования

В общем виде механизм образования пригара может быть описанформулой Пуазейля, если рассматривать форму как пористое тело, состоящее изпучка капилляров диаметром 2r и длиной l (1):

где τ –продолжительность процесса;

η — вязкость промежуточного соединения;

p — давление, под которым это соединение проникает в порыформы;

Q — количествопроникающего в капилляры смеси промежуточного соединения.

За время

прирост объема жидкостиdQ в капилляре может быть выражен ввиде

Тогда после постановки значениядля dQ

Отсюда

или

Следовательно, за время τпромежуточное соединение вязкостью η проникает в капиллярыдиаметром 2r под давлением р на глубину l:

/> (1)

где

Пригар образуется, еслипромежуточное соединение проникает в форму на глубину l, превышающуюрадиус зерна r.

Поэтомунеобходимым, но еще не достаточным условием для устранения механическогопригара является выраженное в критериальном виде условие

Приведем формулу (1) ктакому же критериальному виду

Для уточнения формулы следует рассмотреть входящие в нее величины р, τи η при условии, что свойства формы не изменяются во времени.

Приведение выражения к критериальному виду подчеркиваетнеобходимость определения не глубины проникновения промежуточного пригарногослоя, а условий, обеспечивающих полное отсутствие механического пригара.

Давление р складывается из трех составляющих.

1. р1- статического давленияжидкого металла на поверхности формы. Если высота слоя жидкого металла Нсм, а плотность γ г/см³, то давление этого слоя составит

/> г/см² =/> кГ/см²

2. р2 — противодавление газов в форме. Оно может быть положительными отрицательным;обычно принимается положительным как результат выделения газов формой при еенагреве. Но противодавление может быть и отрицательным, если применятьискусственный отсос газов из формы, например, при изготовлении крупных отливок;отсос должен применяться только после образования на поверхности отливкидостаточно прочной корки затвердевшего металла.Непосредственные измерения показали, чтодавление р2 может дойти до 0,1 кГ/см2; при изготовлениинизких отливок нельзя пренебрегать давлением газов.

3. ps-капиллярного давления:

При полном смачивании cos φ = 1 ирадиусе 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 внастоящее время не представляется возможным. Между тем, оно имеет очень большоепрактическое значение.

Величина τ, характеризующая продолжительностьпроцесса образования механического пригара, зависит от продолжительностипребывания металла в жидком состоянии, которая может быть связана с приведеннойтолщиной отливки R:

откуда

Для усредненных расчетов можно принять m=0,1.Продолжительность пребывания поверхности металла в жидком состоянии заведомо изначительно меньше продолжительности полного затвердевания отливки. Поэтомуследует принять

Необходимоподчеркнуть, что в данном случае разбираются условия образования механическогопригара. Химический пригар может образоваться значительно позднее, послеполного затвердевания отливки.

Входящую в формулу (1) вязкость можно определитьпо упрощенной формуле в зависимости от температуры Т:

где ηн и ηт — вязкости при начальной и искомой температурах… После подстановки полученныхзначений формула (1) приобретает вид

/> (2)

где Сз — эмпирически определяемый коэффициент.

Приведенная к критериальномувиду формула может быть выражена в виде неравенства

/> (2)

Глубина проникновения пригарногосоединения имеет подчиненное значение по сравнению с требованием созданияусловий, при которых это соединение не проникает на глубину, превышающую радиусзерна.

Из неравенства (1) следует:

1. На пригар оказывает очень большое влияниевеличина отливки, от которой зависит металлостатический напор ипродолжительность образования корки на поверхности отливки. Поэтомуцелесообразно противопригарные мероприятия проводить с учетом размера отливок.

2. В слагаемом — /> формулы (1) поверхностное натяжение жидкого металлаизменяется от 0,6 до максимум 1,5 г/см, cos φ от +1 до -1, радиус зерна-десятикратно. В целом этослагаемое заслуживает значительного внимания.

3. Слагаемое р2 изучено недостаточно. Можнополагать, что изменение р2 существенно влияет напроцессы, происходящие в форме, в частности на пригар.

4. Вязкость пригарного соединения изменяется не более чем в2 раза и оказывает подчиненное влияние.

5. Продолжительность пребывания поверхности металла отливкипри температурах возможного взаимодействия с поверхностью формы зависит от толщиныотливки, коэффициента затвердевания, от температуры заливки.

1.3. Химическийпригар

Возникает в отливках из сплавов с высокой температуройплавления в результате сложных реакций между металлом отливки, егоокислами и материалом формы. В отличие от механического пригара зерна песка впригоревшем слое связываются главным образом продуктами химических реакций,протекающих при высоких температурах, преимущественно силикатами.

На поверхность раздела металл — форма окислы компонентовсплава поступают двумя путями: в небольшом количестве — в виде окислов,растворенных в расплаве и образующихся во время выплавки и заполнения формы, аглавным образом вследствие окисления раскаленной затвердевающей поверхности отливки.Массивная отливка из стали дольше находится в раскаленном состоянии, и поэтомуна ее поверхности образуется больше окислов.

Считают, что пригар не образуется в двух случаях: когдаповерхность отливки не окислена или окислена очень сильно. На неокисленнойповерхности металла пригар образоваться не может, так как во взаимодействие скремнеземом формы вступают только окислы металла; взаимодействие неокисленногометалла с кремнеземом маловероятно.

Например, в мелких быстроостывающих отливках, где наповерхности металла образуется слой окислов незначительной толщины, дляпредотвращения пригара достаточно применить огнеупорные припыл или тонкий слойкраски, чтобы предотвратить непосредственный контакт окислов металла с кремнеземомформы. Гораздо труднее избежать пригара на отливках среднего развеса, гдеокислы 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 жидкостекольныхформах без применения покрытий, образуется легкоотделяемый пригар, посколькусталь легко окисляется и дает большое количество окислов в пригарной корке.

Образующаяся на поверхности отливок закись железа FeO имееттемпературу плавления 1380° С, поэтому на поверхности даже закристаллизовавшейсястальной отливки она может находиться в жидком состоянии довольно долгое время.Окислы железа хорошо смачивают кварцевый песок и под действием капиллярногодавления легко проникают в поры литейной формы, вступая в реакцию с кремнеземом:

2FeO + 2SiO/>/>2FeO/>SiO/>.

В сплавах с высоким содержанием марганца образованиюпригара способствует также аналогичная реакция между закисью марганца и кремнеземом

2MnO + 2SiO/>/> 2MnO/>SiO/>.

Образующиеся в результате этих реакций легкоплавкиесиликаты фаялит (2FeO/> SiO/>) и тефроит(2MnO/>SiO/>) после затвердевания цементируют зерна песка в слои пригара.

Механизм образования

Образование химического пригара представляется следующимобразом. После заливки формы поверхность отливки 1 покрывается слоем 2 окислови 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, увеличиваяотносительную площадь контакта отливки и формы. Часть расплава проникает вглубь формы между зернами песка, образуя и связывая корку пригара с отливкой(см. рис. 1, б). В дальнейшем окисление поверхности отливки резко замедляетсявследствие уменьшения окислительной способности газов в форме и снижениятемпературы металла, скорость образования нового окисного расплава на граничнойповерхности становится меньше скорости его миграции в глубь формовочной смеси,и между отливкой и формой возникает зазор (см. рис. 1, в). При этом относительнаяплощадь контакта металла с формой уменьшается.

2. Влияние технологическихфакторов на пригар

2.1. Влияниеогнеупорности

В настоящее время можно считать установленным рядзакономерностей, связанных с влиянием огнеупорности на пригар [2,3]:

1. Наибольший пригар обнаруживается при использованиисмесей со средней огнеупорностью.

2. Пригар может уменьшиться при использовании смесей, как сбольшой, так и с малой огнеупорностью.

В качестве примеров можно привести снижение пригара призаливке стали (высокая температура заливки) в жидкостекольные формы.

Пригар увеличивался при повышении содержания полевыхшпатов, до 20%, при дальнейшем повышении их содержания наблюдалось снижениепригара. Удавалось получать отливки с малым пригаром в смесях на основеваграночного шлака.

Для оценки огнеупорности материалов, применяемых в литейномпроизводстве, особое значение приобретает скорость появления тех свойств,которые характеризуют «огнеупорность», т. е. размягчение, плавление, спекание.

Отсюда ряд следствий:

1. Химический состав не может характеризоватьогнеупорность, так как при неизменном валовом химическом составе можетнаблюдаться разное распределение элементов между зернами. Между тем процессыоплавления, размягчения и спекания начинаются с поверхности зерен. Поэтому этипроцессы разовьются тем скорее, чем мельче зерна и чем равномернее они междусобой перемешаны. По этой же причине огнеупорность силиката всегда ниже огнеупорностисмеси разных зерен, но того же валового химического состава.

2. Еще меньшее значение может иметь огнеупорность отдельныхсоставляющих смеси, так, например, от добавления огнеупорной глины в большомколичестве смесь может оказаться менее «огнеупорной», чем при добавлении менееогнеупорной глины, но в меньшем количестве.

2.2. Влияние металлостатического давления на глубину проникновенияпригарного слоя.

Согласно выведенной общей формуле глубина проникновения lпропорциональна корню квадратному из давления р.Но само давление зависит от высоты и удельного веса металла, капиллярногодавления и газового противодавления. Таким образом, нельзя считатьглубину проникновения пригарного слоя пропорциональной только высоте слояжидкого металла. При среднем расчетном удельном весе железоуглеродистых сплавовγ = 7 г/см3 высоте слоя 100 см соответствует давление0,7 кГ/см²

Было установлено, что в зависимости от типасмеси, типа сплава и т. д. существует определенное критическое давлениеметалла, при котором образуется пригар [2,3,9]. Ниже этого критическогодавления пригар практически незаметен, а выше — наблюдается отчетливо. Чембольше величина давления металла превышает критическую, тем интенсивнееобразование механического пригара.

Таблица 1

Влияние давления металла на образованиемеханического 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

Таблица2

Влияние давления металла на образованиемеханического пригара (сталь 20ГСЛ)[9]

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 20Х13НЛ)[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 углеродистойстали 30Л и малолегированной стали 20ГСЛ при использовании смесей I, II, III,IV резкой разницы в величине механического пригара при изменении давленияметалла в пределах 0,6 — 2,5 кГ/см² обнаружено не было.

Более тщательный анализданных табл.2 и 3 показывает, что при прочих равных условиях наилучшиерезультаты были получены на песчано-маршалитовой смеси и хромомагнезитовойсмеси с жидким стеклом. Надо учесть, что песчано-маршалитовая смесь содержала45% маршалита и требовала длительной сушки. Хромомагнезитовая смесь с жидкимстеклом высушивалась по режиму, в 6—9 раз более короткому.

Для отливок из углеродистой ималолегированной стали с целью предотвращения образования механического пригарапри малых и средних величинах давления металла могут использоваться все четыресостава смеси. Предпочтение тому или иному составу смеси может быть отдано взависимости от ряда технологических факторов (сырьевых ресурсов, длительностивысушивания, легкости выбивания и т. д.).

При высоких давлениях металла(порядка 2, 5 кГ/см2) относительно лучшие результаты по чистотеповерхности отливок, а также по существенному сокращению цикла высушивания даютхромомагнезитовые смеси с жидким стеклом.

Особенно целесообразно применениехромомагнезитовых смесей, например, при изготовлении отливок из нержавеющейстали (табл.3). Чем выше давление металла, тем больший эффект дает применениехромомагнезитовых смесей. Довольно близкие результаты, однако уступающиехромомагнезиту, получают при использовании валунчатого хромистого железняка(смесь 5, табл. 3)

В табл. 4 дано сопоставление условийобразования механического пригара на образцах из различных марок стали при высокомдавлении металла (2,5 кГ/см²).

Таблица 4

Глубина проникновения металла в форму ивеличина 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

Общаязакономерность заключается в том, что чем более высоколегированна сталь (вданных опытах хромом и никелем), тем больше величина механического пригара привсех испытанных составах смесей.

Наилучшие результаты были получены при хромомагнезитовыхсмесях 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 образованиямеханического пригара от гранулометрического строения смесей. П. А. Борсук [9] экспериментальнопоказал зависимость величины критического давления металла отгранулометрического строения смесей при разных сталях (рис. 2, 3).

/>/>/>/>

2.3. Влияние вязкости металла на глубину проникновения пригарного слоя

Согласно выведенной формуле глубина проникновенияпригарного слоя в форму обратно пропорциональна корню квадратному из вязкости.Достоверных непосредственных опытов в подтверждение этого положения проведеноне было. Косвенно влияние вязкости видно из табл.5[2], связывающейувеличение жидкотекучести с увеличением глубины проникновения в формупригарного слоя.

Таблица5

Влияние жидкотекучести на глубинупроникновения пригарного слоя [2]

Температура заливки 1320° С. Давление металла1,0 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. Влияниетемпературы на пригар

Повышение температуры приводит к увеличению глубиныпроникновения пригарного слоя в форму из-за уменьшения вязкости и увеличенияпродолжительности пребывания при повышенной температуре. На основании выведеннойформулы можно ожидать, что повышение температуры будет способствоватьувеличению глубины проникновения пригарного слоя в форму.

В подтверждение этих положений приводится табл.6, изкоторой видно, что при нарастании температуры уменьшается «критический диаметр»зерна, характеризующийся величиной газопроницаемости.

Таблица 6

Влияние температуры заливки на глубину проникновенияпригарного 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 увеличениипродолжительности выдержки увеличивается по-разному также и в зависимости отатмосферы окружающей среды, как это видно из табл.7, закономерность измененияглубины проникновения (/>) сохраняется, нозначительное уменьшение глубины проникновения наблюдается только при созданиисильно восстановительной атмосферы. В нейтральной среде глубина проникновенияотличается незначительно по сравнению с условиями нагрева в атмосфере воздуха.

Этот опыт подтверждает наличие окислов на поверхностиметалла, и замена окислительной атмосферы на нейтральную не может значительноизменить глубины проникновения окислов в форму. Только создание резко восстановительнойатмосферы может уменьшить количество окислов на поверхности металла, аследовательно, и изменить глубину их проникновения в форму.

Таблица 7

Влияние продолжительности выдержки наглубину проникновения пригарного слоя в форму [2]

Газ Продолжительность выдержки в мин 15 30 60 Глубина проникновения окислов в мм

Кислород…

Воздух…

Аргон…

Водород ........

1,8

1,15

1,1

0,0

2,5

1,9

1,8

0,0

3,2

2,6

2,0

0,0

/> /> /> /> /> /> /> /> />

Приведенныекоэффициенты были получены при выдержке образцов при температуре 1300 С. Припонижении температуры глубина контактной зоны уменьшается, как это видно изприведенных данных.

Температура в °С Глубина контактной зоны в мм

800

1000

1200

1400

0,1

0,5

1,0

2,25 2.5. Влияниехимического состава металла на пригар

/>Состав металла может оказыватьвлияние на пригар в нескольких направлениях: на вязкость и температуру солидуса [2].

Особое внимание следует обратить на сделанный вывод орезком снижении пригара в случае, когда температура на поверхности форма — отливка получается ниже температуры солидуса к моменту окончания заполненияформы жидким металлом.

/>Если принять, что температура на поверхности форма — отливка составляет 0,9 от температуры заливки, то для уменьшения пригаражелательно заливать при температуре около 1/0,9 = 1,1 температуры солидуса. Поэто требование становится тем более затруднительным, чем больше разница междутемпературами солидуса и ликвидуса.

На рис.4 приведена диаграмма изменения температур начала иконца затвердевания стальной части железоуглеродистых сплавов. Из диаграммы видно,что опасность увеличения пригара увеличивается при повышении содержания С встали свыше 0,5%.

2.6. Влияние восстановительных добавок на пригар

Создание восстановительной атмосферы в форме не всегдаспособствует уменьшению пригара[2,4,6,9]. Можно полагать, что в отдельных случаях восстановительнаяатмосфера может облегчить протекание процессов науглероживания поверхностималоуглеродистой отливки, что повлечет за собой снижение температуры ееплавления и облегчение проникновения в форму пригарного слоя.

Подтверждение возможности увеличения пригара при введении всмесь науглероживающей добавки можно усмотреть из опытов, приведенных в табл.8: снижение критической температуры при заливке стали, обнаруживается привведении в смесь масла.

Можно полагать, что именно процессом науглероживания могутбыть объяснены неудачи борьбы с пригаром стальных малоуглеродистых отливок при введении в смесь науглероживающих добавок, хотя они и создают восстановительнуюатмосферу.

Также частично снижением температуры плавления пригарногослоя может быть объяснено увеличение пригара при введении в смесь пирита,выделяющегося при нагреве серы.

Таблица 8

Влияниедобавок 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 впервый момент, благодаря недостаточной его окисленности, капиллярные силыпрепятствуют проникновению металла в поры формы. Вместе с тем за счетсвободного кислорода, находящегося в порах, происходит дополнительное егоокисление. Это вызывает увеличение смачиваемости и снижение критическогодавления, что способствует проникновению металла в поры формы. Одновременно призаливке увеличивается металлостатический напор.

Жидкий металл с повышенным содержанием кислорода вповерхностных слоях проникает в поры формы под действием сил капиллярного иметаллостатического давлений. Проникший в поры формы твердый металлподвергается дальнейшему окислению, которое может протекать двояко.

В первом случае прожилки окисляются не полностью.Образующиеся окислы железа (FeO) растворяются в силикате, который прочно связываетметаллические прожилки и зерна песка. Из-за малого содержания окислов железасиликат при затвердевании образует преимущественно стекловидную фазу. Указанныйконгломерат прочно удерживается на поверхности отливки, а формовочная смесьотделяется по слою самой смеси: на поверхности отливки остается пригарнаякорка.

Во втором случае достигается полное окисление проникшихпрожилок металла, вследствие введения в формовочную смесь окислительных добавок [6].

Образующиеся окислы железа частично растворяются всиликате, а частично накапливаются на границе металла и пригарной корки.Благодаря повышенному содержанию окислов железа, силикат при затвердеванииобразует преимущественно кристаллическую фазу. При температуре ниже 560°Спроисходит распад фаялита в силикате на магнетит и железо, протекающий сувеличением объема—7, 15%. Кроме того, на поверхности раздела в слое окислов(преимущественно вюститном), в межзерновом пространстве, по микротрещинам и поверхностипор образуется магнетит. Указанные превращения дают начало микротрещинам вконтактном слое. Этому способствует наличие в железистом силикате разнородныхструктур с преобладающим количеством кристаллических фаз. Благодаря усадочнымпроцессам, возникшие микротрещины раскрываются и пригарная корка легкоотделяется—либо самопроизвольно, либо под действием небольших дополнительныхусилий. В этом случае наблюдается чистая поверхность, которая воспринимаетсякак металлическая. Только в отдельных местах обнаруживаются остатки силикатов,отторженные частички кварцевых зерен пли отдельные песчинки.

Как уже было сказано, можно ожидать облегчения отделенияповерхности отливки от поверхности формы при увеличении толщины пригарного слоя.При обдувании пригоревшей корки окислительным пламенем газовой горелки происходитне только увеличение толщины пригоревшего слоя, но и переход закиси железа FeOв окись Fе2O3, не вступающую в реакцию скремнеземом. В результате ослабляются создавшиеся кристаллические связи, чтовызывает отслаивание пригоревшей корки.

2.8. Смачиваемость

Образование механического пригара предотвращается если Ркап увеличивается, если уменьшается радиус пор, величинакоторых тем меньше, чем тоньше структура наполнителя. Ркап уменьшаетсяпри уменьшении величины поверхностного натяжения металла и снижении краевогоугла смачивания. При стальном литье увеличение температуры стали приводит кувеличению поверхностного натяжения. Поверхностное натяжение стали существенноснижается при увеличении содержания в ней углерода, фосфора, серы, кислорода,азота. Поэтому увеличение содержания этих компонентов в стали может приводить кувеличению механического пригара.

Величина краевого угла смачивания зависит от ряда факторов:типа сплава, степени его окисленности, продолжительности контакта жидкой итвердой фаз, размера зерен формовочных смесей и др.

Из результатов экспериментальных исследований, проведенныхИ. В. Валисовским [4,2,13], отметим установленную зависимость степени смачивания отхимического состава поверхностных слоев жидкого металла и формы. Чем большехимический потенциал реакций, протекающих на поверхности раздела металл-форма,тем меньше краевой угол смачивания.

Поэтому увеличение степени окисленности стали резкоуменьшает краевой угол смачивания при изготовлении форм из кварцевого песка(рис.5) и значительно в меньшей мере при изготовлении форм из хромомагнезитаили хромистого железняка (рис.5)[2].

Влияние размера зерен песка на условия смачивания зависитот 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 значительномуувеличению 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 надликвидусом не изменяет величины краевого угла смачивания.

Эти и другие примеры свидетельствуют о том, что создание вформе нейтральной и восстановительной среды является благоприятным в рядеслучаев стальных отливок, если поверхностные покрытия формы не науглероживаютповерхности стальных отливок.

И. В. Валисовский, И. Б. Куманин и А. М. Лясс [9,4] изучаливлияние различных крепителей на значение краевого угла смачивания формовочнойсмеси 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 науглероживаниемметалла, приводящим к возрастанию его жидкотекучести. При использовании смесикварцевого песка с 6% жидкого стекла получается высокое значение краевого угла(106°), что объясняется малой пористостью этой смеси. Последнее является однойиз причин, препятствующих проникновению металла в поры формовочной смеси.

На смачиваемость формовочных материалов расплавленнымметаллом и связанное с этим механическое проникновение металла в стенки формыоказывает влияние и характер газовой атмосферы в литейной форме. В условияхокислительной атмосферы, создаваемой углекислым газом, наименьший угол смачивания(52°) наблюдается на кислом материале (кварцевый песок), наибольший (90°)-наосновном материале (магнезит) (табл.9).

В слабо окислительной атмосфере все формовочные смеси накварцевой основе смачивались металлом, а основные формовочные материалы несмачивались (табл.9), причем по сравнению с окислительной атмосферой значениякраевых углов возросли.

В нейтральной и восстановительной атмосферах отсутствуетвзаимодействие между жидким железом и формовочным материалом. Поэтому краевойугол армко-железа на формовочных смесях резко возрастает, и смачивание становитсяотрицательным. Данные но смачиваемости различных формовочных материалов внейтральной атмосфере приведены в табл.9.

При переходе от слабо окислительной атмосферы к нейтральнойнесколько возрастает смачиваемость хромистого железняка армко-железом. Этообъясняется восстановлением окиси железа, входящей в состав хромистогожелезняка, железом с образованием закиси железа. Образующаяся закись железарастворяется в жидком металле, и сродство жидкого металла с хромистымжелезняком увеличивается. Образование и растворение закиси железа в жидкомметалле при применении хромистого железняка подтверждается фактом повышенногосодержания кислорода в металле после проведения опыта.

Так, при применении кварцевого песка армко-железо послепроведения опыта содержало 0, 0128% кислорода, при применении хромистогожелезняка содержание кислорода в металле возрастало почти в 4 раза (0, 042%).Процесс растворения закиси железа в металле, хотя и в несколько более слабойстепени, 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 ипредотвращения механического проникновения металла в поры песчаной формовочнойсмеси следует создавать в литейной форме условия, исключающие окисление жидкогометалла. 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 материаловметаллом

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

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

106 118 -

Кварцевый песок

Льняное масло

50 131 - Магнезит 100 107 113 90

При применении формовочныхсмесей на основе хромомагнезита, хромистого железняка и магнезита отпадаетнеобходимость создания восстановительной атмосферы в форме, так как в этомслучае краевой угол смачивания в условиях окислительной атмосферы практическине меняется.

Рис.5 Влияние содержания кислорода вжелезе на краевой угол.

Таким образом, применять хромомагнезит и хромистый железнякособенно эффективно при наличии в форме окислительной среды.

В случае нейтральной или восстановительной среды вполнеудовлетворительные результаты дает использование кварцевых песков.

2.9. Влияние состава формовочной смеси

Возможность формирования легкоотделимого пригара за счетизменения состава сплава и температуры заливки весьма ограничено.

Управлятьпроцессами образования химического пригара можно лишь изменяя составформовочной смеси[4]. Необходимо учитывать, что первоначальные формовочные материалывыбирают из условий предотвращения образования металлизированного пригара.

/>Влияние литейной формы и ее материаловпроявляется в той степени, в какой они способствуют образованию и сохранениюокисной пленки требуемой структуры на границе раздела металл- форма.

/>При контакте жидкого железа с хромомагнезитом и, особенно схромистым железняком насыщенность железаO2 резко возрастает.

На рис.6 приведены данные термомагнитного анализа, характеризующиевзаимодействие некоторых формовочных материалов без связующих со сталью ЗОЛ при1000 °С, из которых следует, что характер взаимодействия зависит как от природыматериалов, так и от продолжительности выдержки[4,10]. В наибольшейстепени сталь окисляется при контакте с хромитовыми и хромомагнезитовымипесками: через 3, 5 ч содержание неокисленного железа в образцах снижалосьсоответственно до 40 и 46%. Меньше сталь окисляется при контакте с кварцевымпеском, при этом образуется и минимальное количество парамагнитных соединений,в том числе и вюстита. В остальных образцах количество вюститной фазы довольнобольшое; максимальное содержание вюстита наблюдается в продуктах взаимодействияуглеродистой стали с хромитом.

В литейной форме продукты окисления отливки иливзаимодействия окислов металла с формовочными материалами не остаются в зонереакции, а под действием капиллярных сил проникают в толщу формы, определяя темсамым толщину химического пригара.

При температуре 1500 в жидком состоянии находится закисьжелеза (температура плавления 1371°С), а образованиеокиси железа (1457С) маловероятно.В случае контакта стали ЗОЛ с хромитом и хромомагнезитом на границе разделаобразуется большее количество окислов и толщина химического пригара максимальна.

Рентгеноструктурный анализ пригара, образовавшегося прииспользовании смеси на основе хромистого железняка, показал наличие Fe3O4 иследов фаялита Fe2SiO4. Зерна хромистого железняка окружены аморфным стеклом неременногосостава; встречаются незначительные участки с мелкими кристаллами фаялита.Однако количество железистого стекла в этом случае меньше, чем в пригаре прииспользовании кварцевой смеси. Очевидно, железистые стекла образовались лишь врезультате взаимодействия силиката натрия (которого в смеси мало) и окисловжелеза, основная же часть окислов либо существует в виде самостоятельной фазы,либо, взаимодействуя с огнеупорным наполнителем, входит в состав различныхшпинелей, образующих хромит. Аналогичная картина наблюдается и прииспользовании хромомагнезитовой смеси. При взаимодействии расплава углеродистойстали с цирконовыми и корундовыми смесями образуется пригар, состоящий из зереннаполнителя и железистого стекла, на фоне которого изредка встречаютсянебольшие участки с мелкими зернами фаялита.

Таким образом, химический пригар, появившийся в процессевзаимодействия углеродистой стали со смесями на основе различных наполнителей,состоит из зерен песка, сцементированных железистым стеклом: каких-либосоединений, кроме фаялит;), и заметном количестве в нем обнаружено не было,хотя термодинамически образование их возможно, например, герцинита (FeAlaOl). Вовсех случаях слой пригара отделен от металла окалиной, прочностькоторой и определяет силы связи пригара с отливкой. Влияние наполнителя смесисказывается лини, в той степени, в какой он может затормозить или ускоритьокисление отливки с поверхности и способствовать образованию окисного слоя определеннойструктуры.

На рис.7 показана кинетика взаимодействия стали ОХ12НДЛс различными формовочными материалами при 1000°. Окисление хромистой стали в контакте сформовочными материалами происходит довольно интенсивно. По мереувеличения продолжительности контакта с рутилом и кварцем непрерывно увеличиваетсясодержание магнетита и окалине/>(рис. 7, б),при контакте с цирконом в xpoмитом количество магнетитавозрастает до некоторого уровня, а затем остается постоянным; приконтакте с корундом после достижения некоторого максимума содержание магнетитаначинает резко уменьшаться. При />взаимодействии с кварцевым песком образуется минимальноеколичество вюстита (рис.7, в). Все остальные материалы способствуют образованиювюстита в довольно большом количестве. Следовательно, наибольшая прочностьсцепления пригара с металлом будет в случае использования кварцевых смесей, наименьшая — при использованиикорундовых, цирконовых и хромитовых смесей.

/>/>/>На рис.8 представлена зависимость глубины проникновения окислов в продуктоввзаимодействия стали ОХ12НДЛ в различные жидкостекольные смеси при 1550 °С.

С увеличением времени выдержки глубинапроникновения на всех материалах. кроме корунда, возрастала; в корундовые смесиглубина проникновения в течение 30 мин была минимальной. Наибольшая глубинапроникновения наблюдалась в смесь на кварцевом песке.

/>Таким образом,при использовании корундовых смесей образуется много вюстита в этот окиселостается на границе металл — смесь, а при использовании кварцевой смеси образующиесяокислы проникают в глубь формы и взаимодействуют со смесью[4,10].

На рис.9 приведено влияние продолжительностивыдержки стали 12Х18Н9ТЛ при 1500 °С на толщину химического пригара. И здесьминимальный пригар наблюдается на корундовых смесях. Очевидно, что корундовые смесиобеспечивают минимальный пригар и наилучшую поверхность отливок из всеххромистых и хромоникелевых сплавов.

/>Глубина проникновения окислов, образующихся на поверхностистали 110Г13Л, характеризуется данными рис.10, Видно что наибольшая глубинапроникновения наблюдается при использовании смеси на основе кварцевого песка,наименьшая — на основе оливина, корунда и дистен-силлиманита.

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 идиаметром зерна 2r выражается формулой:

можнопринять в среднем

Следовательно, даже при повышении газопроницаемости вдвое ипри пренебрежении давлением /> опасностьувеличения пригара возрастает в />=1,6раза. Этоувеличение заведомо завышено не только из-за резкого изменения газопроницаемостивдвое, но и потому что при увеличении газопроницаемости давление />снижается. Увеличитьгазовое давление в порах формы можно путем увеличения газотворной способностиформы и уменьшения ее газопроницаемости. Учитывая опасность образования газовыхдефектов в отливках, увеличивать газовое давление в форме нерационально.

Обычно стремятся создать в форме направленный газовыйрежим, для чего повышают плотность только поверхности формы (нанесениемпротивопригарной краски), а в последующих слоях, по мере удаления от поверхностиконтакта металл-форма, газопроницаемость повышают снижением степени уплотненияили накалыванием вентиляционных отверстий.

3.Мероприятия сокращающие пригар на отливках.

3.1. Классификация методов борьбы с пригаром.

Эти методы можно разделить на несколько групп по признакамсвязанным с величинами, входящими в формулу (2)

1) с продолжительностью затвердевания иприведенной 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 образованиюпромежуточных соединений

6) с изменением огнеупорности

7) с увеличением промежуточного соединения

Рассмотрим эти методы более подробно

При изготовлении средних стальных отливок применяют частосмеси, содержащие кварцевую муку. Высушенные формы крупных отливок окрашивают.В формах очень крупных отливок, когда невозможно надежно обеспечитьвосстановительную атмосферу может оказаться действенным средством созданиеокислительной атмосферы на поверхности формы, чтобы увеличить толщинупригарного слоя и облегчить его удаление с поверхности отливки.

3.2.Сокращение химического пригара

В последнее время наметились следующие основные пути предупрежденияхимического пригара: предохранение металла в форме от окисления; создание междуповерхностью отливки и коркой пригара пленки окислов оптимальной толщины сцелью получения легкоотделяемого пригара; применение покрытий и формовочныхматериалов повышенной огнеупорности и химически инертных к металлу и егоокислам.

Порезультатам исследований были разработаны практические рекомендации попредотвращению пригара на отливках из углеродистой стали[14,13,11].

При изготовлении отливок с толщинойстенки 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 встроении пригара (см. рис.1). На отливках со стенками 10-35 мм из-за большоговремени воздействия высокой температуры процесс развивается до стадии трудноотделимого пригара (см. рис.1б). Органические добавки здесь уже малоэффективны,но покрытия на основе маршалита, глинозема, циркона, корунда, алюминиевой пудрыснова позволяют получать малоразвитый пригар. Отливки с толщиной стенок свыше35 мм получаются с легкоотделимым пригаром, так как процессы переходят в стадиюв. Добавки в смесь, создающие восстановительные газы, которые могут задержатьразвитие процессов на стадии б, в этом случае вредны. Нежелательныглины, шпаты, шлаки и т. д., увеличивающие вязкость и снижающие скоростьмиграции контактного расплава в форму. При использовании песчано-глинистыхсмесей для отливок с толщинойстенки до 20-25 мм из исходного песка должны быть удалены глина, пыль; вформовочной смеси не должны быть остатков жидкостекольной смеси, примесейжелезных 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 другихсолей, а также замена глин бентонитами создают условия для получения; легкоотделимогопригара. Формы отливок со стенками 25-50 мм рекомендуется покрывать краскамиили пастами на основе маршалита, циркона, корунда, таккак при таких толщинах отливок наступает трудноотделимаястадия; пригара б (см. рис.1).

Наружные сферические поверхностиотливок со стенкам 50-70 мм получаются с легкоотделимым пригаром в (смрис.1). Здесь сказываются усадка металла и прочность формы в горячем состоянии,чему способствует зазор. Увеличит прочность формы при высокой температуре можнодобавкам в исходную смесь жидкого стекла, железных руд и других плавней.Внутренние поверхности таких отливок рекомендуется покрывать пастами илиоблицовками на основе циркона корунда, хромомагнезита и магнезита.

В формах из песчано-масляных ипесчано-смоляных смесей отливки с толщиной стенки до 15-25 мм получаются с малоразвитым пригаром. Песок в этом случае должен быть очищенным от глин и другихплавней, а крепители не должны после выгорания оставлять много золы. Болеетолстостенные отливки следует изготовлять с применением высокоогнеупорныхпокрытий из маршалита, циркона (для стенок 30-60 мм) и корунда, хромомагнезита,магнезита (для стенок толщиной более 60 мм).

При превышении критического напораметалла в форме следует применять либо более мелкозернистые пески, либоспециальные мелкозернистые высокоогнеупорные материалы в виде покрытий иоблицовок на формах. Характер атмосферы в форме после заливки при применении перечисленных высокоогнеупорных материалов влияет менеезаметно, чем при применении кварцевых песков. С увеличением окислительнойспособности газов лишь несколько снижается огнеупорная стойкостьпротивопригарного покрытия, особенно на основе маршалита и циркона. Меры поустранению пригар сводятся к подбору вида покрытия в зависимости от толщиныстенки. Для форм отливок с толщиной стенки 20-25 мм достаточно маршалитовыхкрасок. Формы отливок со стенками 25-50 мм требуют покрытия красками илипастами на основе глинозема, циркона или корунда.

Формы более толстостенных отливокцелесообразно покрывать пастами на основе корунда, хромомагнезита магнезита[10,1].

3.3. Сокращение пористости

Для уменьшения проникновения металла в форму необходимосократить размер пор на ее поверхности. Для этого применяются следующие методы:уменьшается размер зерновых составляющих, увеличивается уплотняемостьформовочных материалов, на поверхность формы наносятся краски и применяютспекающиеся формовочные смеси. На основание этих данных проанализируем их.

3.3.1. Уменьшение размеров зерна

Зерновые составляющие изменяют сопротивлениепроходу пригарного вещества в глубь формы. Чтобы снизить механический пригар,прежде всего надо сократить размер пор в поверхностном слое формы. Для этогоприменяют более мелкие пески или в крупные и среднезернистые пески вводятмелкие фракции, в том числе пылевидный кварц[2,3,6,9,10,13].

Средняя величина зерна определяется главным образомтребованиями газопроницаемости. Уменьшение газопроницаемости может бытьдостигнуто применением более мелкого песка и добавлением более мелких зерен кболее крупным. Во втором случае можно опасаться увеличения скорости образованияпромежуточных пригарных соединений, что увеличивает пригар. При одинаковойгазопроницаемости пригар будет меньше у смеси однородных, но более мелкихзерен, по сравнению со смесью из более крупных и мелких зерен. Однако приоднородном песке увеличивается опасность образования ужимин.

По влиянию количества добавляемых мелких зерен наотносительный пригар можно различать три области (рис.11)[3]: I- количестводобавляемых мелких зерен недостаточно и их влияние неэффективно; II-достигаетсянаибольшая эффективность при определенном соотношении между крупными и мелкимизернами; III-ухудшаются технологические свойства главным образом за счетизменения физико-химических свойств смеси.

/>/>Наибольшая эффективность достигается при добавлениив смесь до 25% кварцевой муки, размер зерен которой не должен превосходить 40%диаметра крупных зерен. Оптимальное количество добавки мелких зерен и минимальныйпригар зависят от минералогического и химического состава зерен. Наиболее распространенымелкие зерна кварца (кварцевая мука). Особую осторожность надо соблюдать придобавлении кварцевой муки к не кварцевым зернам вследствие увеличения пригара.

Влияние зернового состава на физико-химические свойстваформы связано с изменением величины зерна и их минералогического и химическогосостава.

/>Уменьшение размера зерна может быть достигнутотакже добавлением кварцевой муки[2,13]. Результаты опытов по влиянию кварцевой муки на глубинупроникновения пригарного слоя приведены на рис.12

/>Приведенная на этом рисунке рекомендованная область добавкикварцевой муки должна рассматриваться как условная, зависящая от зерновогостроения смеси и степени дисперсности муки.

В работе изучалось влияние размера зерен песка на глубинупроникновения металла в поры формовочной смеси.

Смесь с песком № 2 являлась стандартной, с результатамииспытания которой сравнивались результаты испытаний других смесей. На Рис.13видно, что в форму из смеси с мелкозернистым песком № 1 при различномметаллостатическом давлении сталь не проникает. В форму из смеси с песком № 2 обнаруживается проникновение при давлении металла 450-650 мм, с песком № 3- при400-650 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 смесистандартного состава. Опыты показали, что при добавке кварцевой муки вколичестве 20% происходит незначительное повышение минимального давленияпроникновения металла, глубина же проникновения при этом уменьшается.

/>/>/>/>/>/>/>

Представляют большой практический интерес опыты,проведенные со смесями приблизительно одинаковой газопроницаемости (около 100единиц), но содержащими песок с различной степенью однородности. С этой целью воднородный песок различной крупности добавлялось определенное количествокварцевой муки. Результаты этих опытов (рис.15) (показывают, что для уменьшенияпригара предпочтительнее применять мелкий песок с однородными зернами. Добавкицирконовой муки, вместо кварцевой, как показывает рис.15, не уменьшают пригара.

Влияние размера зерен песка на образование механическогопригара 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 различнойпропорции.

Таблица10

Влияние зернового состава песка на глубину проникновения жидкойстали в поры формовочной смеси

Состав песка в смеси, % Газопроницаемость форм, ед. Средняя глубина проникновения стали, мм крупный мелкий

100

287

193

167

151

138

122

102

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 уменьшениеглубины проникновения стали в форму по мере уменьшения крупности зерен песка.

Приведенные данные еще раз показывают, что одним изэффективных и доступных средств уменьшения механического пригара являетсяприменение мелкозернистого песка. Чем мельче применяемый песок, тем меньшеразмер пор формовочной смеси и тем выше, следовательно, капиллярные силы,противодействующие проникновению жидкого металла.

В табл.11 указана величина механического пригара наотливках из стали высоколегированных хромоникелевых толщиной 50 мм взависимости от размеров зерен материалов; связующим материалом во всех смесяхбыло жидкое стекло[5].

Таблица 11

Величина пригара в зависимости от размеровзерен 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

0,0

Как видно, пригар существенно уменьшается с уменьшениемразмеров зерен, а конечная глубина проникновения металла сокращается быстрее уматериалов с повышенными теплоизоляционными свойствами. Так, при уменьшениизерен с 0,4 — 0,62 до 0,063 — 0,09 мм глубина проникновения стали в кварцевыйпесок сократилась в 2,75 раза, в шамот — в 5,8, в кианит — в 6 раз.

Величина пригара на хромомагнезитовой смеси при измененииразмеров зерен с 0,4 — 0,62 до 0,16 — 0,24 мм не изменилась, и только послеуменьшения зернистости до 0,10 — 0,15 она резко сократилась.

При размерах зерен менее 0,06 мм для большинства смесейпригар отсутствовал, для хромомагнезитовых смесей он был исключен при размерезерен 0,063 — 0,09 мм, а для рутиловых — при 0,16 — 0,24 мм.

/>/>Хромомагнезитовые смеси характеризуютсявесьма рассосредоточенным зерновым составом; молотый хромомагнезит, какправило, содержит 20-30% фракции (-005), поэтому поры в смеси чрезвычайно малы,что приводит к отсутствию пригара на отливках. Укладка зерен песка в смесиблизка к кубической, и радиус поры составляет 0,31 — 0,41 радиуса зерна. Принявэто и учитывая только величину зерна песка, можно для данных сплава иформовочного материала при определенных величинах поверхностного натяжения исмачивания рассчитать капиллярное противодавление, возникающее в смеси при проникновенииметалла, что позволяет установить критическую величину металлостатического напора.

/>/>На рис.16 в качестве примера приведена расчетнаядиаграмма для сталей, обладающих плотностью 7,2 и поверхностным натяжением 1300эрг/см2, позволяющая определить необходимую степень помола противопригарногоматериала при заданных степени смачивания и высоте отливки. Так, например, поданным поверхностное натяжение стали Х18Н9ТЛ равно примерно 1300 эрг/см2;краевые углы смачивания окиси алюминия обезжелезенного циркона и магнезитасоставляют 124, 122 и 114°; при высоте отливки 1, 5 м пригара не будет прииспользовании этих материалов лишь с достаточно малыми размерами зерен(0,073;0,069 и 0,054 мм). Эти расчетные данные достаточно близки кэкспериментальным (табл. 11)[5].

Аналогичные диаграммы можно составить для любой стали. Нарис.17 показана поверхность опытных отливок толщиной 60 мм из сталиХ15Н25В5ТЮ2, полученных в формах из корундовых песков одинакового химического,но различного гранулометрического состава. Для отливки а использовалисмесь фракций 0,16 и 0,1 корундового песка (33% и 66% соответственно), дляотливки б смесь фракций 0,063-0,05-(-005) в количестве 51-27-21%соответственно. Форма для отливки в была покрыта слоем краски из мелкодисперсногокорунда (более 95% фракции -005).Как видно, с уменьшением зерен корунда до0,063 мм и менее пригар полностью исчез.

Уменьшение величины зерен песка увеличиваетповерхность соприкосновения пригарного вещества с поверхностью формы и,следовательно, опасность появления пригара, однако в этом случае возможно иуменьшение опасности образования пригара из-за уменьшения глубины проникновенияпригарного образования в форму.

Таким образом, исследования показали, что приналичии высокого металлостатического давления одним из эффективных средствуменьшения пригара является применение мелкозернистого песка, имеющего низкуюгазопроницаемость.

Исключить образование механического пригара на стальныхотливках можно, только используя весьма мелкие формовочные материалы.Естественно, что материалы с таким зерновым составом пригодны лишь для красок ипаст.

3.3.2. Повышение степени уплотнения формы

Уменьшение размеров пор происходит не только при уменьшенииразмеров зерна, но и при увеличении уплотнения смеси. Это подтверждаетсярезультатами опытов, приведенных в табл.12[2]сталь заливалась притемпературе 1680˚С.

Таблица12

Влияние уплотнения на глубину проникновенияпригарного слоя в формуКоличество 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

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 пропорциональнаувеличению количества ударов бабы копра.

2. Не наблюдается четкой закономерности между глубинойпроникновения и поверхностной твердостью формы.

Такая же малая зависимость глубины проникновения отповерхности твердости в границах 25-75 наблюдалась при весе отливки до 15 кг.При весе отливки 500 кг наблюдалось уменьшение пригара только при увеличенииповерхностной твердости свыше 65 единиц. Из табл. 4 видно, что для смесей типаК063Б и К016А «критическая твердость» наступает при превышении приблизительно80 единиц.

/>/> В работе[13] изучали влияние уплотнения смеси наглубину 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 формовочнойсмеси. Более заметно это проявляется при уплотнении смеси до 10 кг/см2.Дальнейшее повышение давления не оказывает заметного влияния на изменениеглубины проникновения стали.

Таблица 13

Влияниестепени уплотнения смесей на глубину проникновения жидкой стали

Песок для форм Степень уплотнения, единиц, по твердомеру Газопроницаемость, единиц Средняя глубина проникновения, мм.

Крупный

марки К04Б

710

460

340

285

200

0, 8

0, 5

0, 3

0, 2

Мелкий

марки К016А

138

120

102

0, 2

0, 1

0, 09

0, 08

0, 07

Д. И. Лоськовым и Г. Л. Хазаном[13] изучалось влияние степени уплотнения смесей напроникновение в форму жидкого металла. Степень уплотнения менялась от 50 до 90единиц по твердомеру. Проба заливалась сталью 35Л при температуре 1620°С.Результаты опытов представлены в табл.13.

Говоря о влиянии уплотнения смесей на глубину проникновенияметалла в форму, следует особо подчеркнуть влияние другого связанного с этимфактора-теплопроводности формы. Чем сильнее уплотнена смесь в форме, тем большеее теплопроводность и тем меньше глубина проникновения.

Приведенные данные показывают,что глубина проникновения стали в поры формовочной смеси при данной температуреметалла зависит от зернового состава смеси и степени ее уплотнения. Чем крупнеепесок и чем меньше уплотнение смеси, тем больше глубина проникновения. Влияниестепени уплотнения особенно заметно при применении крупного песка. Объясняетсяэто тем, что с увеличением размера зерен песка возрастает его уплотняемость.При применении мелкозернистого песка поры в формовочной смеси получаютсянастолько малыми, что высокая степень уплотнения практически не оказываетзаметного влияния на глубину проникновения металла в стенки формы.

Однако повышение степени уплотнения смеси увеличивает еетермическое расширение, с которым связано образование другого дефектаповерхности отливок-ужимин.

3.3.3.Спекающиеся смеси

/> <td/> />
Очевидно, что противопригарные свойства материаловопределяются не только их металлофобностью. Хромомагнезит смачиваетсяхромоникелевой сталью значительно лучше, чем кремнезем: краевые углы смачивания110 и 120° соответственно, а пригар на отливках практически одинаков. Для выясненияпричин этого несоответствия проверяли отношение некоторых материалов к нагреву.На рис.19, а приведены результаты дилатометрических испытаний жидкостекольныхсмесей 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; послеэтого у кварцевого песка (группа 1) вновь начинается значительное расширение, у корунда идунита (II) заметное изменение объема не наблюдается, а у хромистогожелезняка, шамота и в меньшей степени у хромомагнезита (III) при повышениитемпературы продолжается усадка за счет протекание процессов спекания. Ковторой группе материалов относятся также циркон, магнезит и оливин, а к третьей- рутил.

Естественно, что спекание уменьшает пористость формовочнойсмеси, и проникновение металла в поры формы, что было установлено прямым экспериментом(табл.14)[10,5].

Таблица 14

Уменьшениепористости 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

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

32, 5

Было замечено, что максимальное уменьшение пористости смесииз хромистого железняка наблюдается при наибольшем содержании Сг2Оз иFе2Оз. При добавлении жидкого стекла, силикаты натрия будутвлиять как плавни, т. е. снижать температуру спекания еще полнее и с ещебольшим уменьшением пористости. При заливке поверхность формы находится поддавлением столба металла и в случае спекающихся материалов величинамеханического пригара при увеличении металлостатического давления может нетолько не возрастать, но даже и уменьшаться. В табл.15 приведены опытные данныепо величине пригара на отливках из стали Х15Н25В5ТЮ2 при использованиинекоторых жидкостекольных смесей с одинаковым зерновым составом наполнителей исодержанием жидкого стекла.

Таблица 15

Величина пригара на отливках из сталиХ15Н25В5ТЮ2 при использовании смесей с одинаковым зерновым составомнаполнителей 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

1, 3

0, 6

2, 0

1 ,5

1, 0

1,0

0, 1

Как видно, величина пригара изменяется при увеличенииметаллостатического давления различно в зависимости от наполнителя. Так, еслипри увеличении давления с 1, 2 до 3, 8 кГ/см2 глубина проникновениястали в кварцевую смесь возросла вдвое, то в магнезитовую — на 67%, вхромомагнезитовую — не изменялась, в хромитовую — заметно уменьшилась, а вшлаковую — уменьшилась в 6 раз. Приведенные данные хорошо согласуются с некоторымипрежними исследованиями.

Спекание смесей является свойством не только огнеупорногоматериала, но общим свойством системы огнеупорный материал — связующее.Использование хромомагнезитовых или хромитовых материалов в смеси не с жидкимстеклом, а с другими связующими, например, с органическими крепителями, можетлибо не привести к спеканию, либо вызвать его в незначительной степени. Естественно,что мелкодисперсные частицы способствуют спеканию огнеупорных наполнителей, и вхромомагнезитовых и хромитовых пастах и красках противопригарное покрытиеспекается при любом связующем. Покрытия из сильно спекающихся материалов(хромистый железняк, шамот) необходимо наносить сравнительно более толстымслоем, чем покрытия из неспекающихся материалов.

Результаты опытов позволяют сделать вывод, что припроизводстве отливок из высоколегированных хромоникелевых сталей предотвратитьмеханический пригар можно, лишь используя мелкодисперсные формовочныематериалы. Противопригарные свойства материалов характеризуются либо ихметаллофобностью, либо склонностью к спеканию при высоких температурах;теплофизические свойства формы имеют второстепенное значение и в большинстве случаевне могут являться критерием при выборе противопригарных материалов. Исходя изэтого, в качестве противопригарных материалов в производстве отливок изхромоникелевой стали, могут быть рекомендованы рутил, корунд и шамот.

3.4. Изменение температуры заливки

По формуле (1) на пригар влияет изменение абсолютнойтемпературы. По этой причине температура способствует увеличению пригара, ноэто влияние может оказаться не пропорциональным перегреву, что подтверждаетсяпрактическим наблюдением.

Непосредственные исследования подтверждают такжевозможность установления для конкретных условий проведения опытов некоторойкритической температуры (табл.16)[2].

Таблица16

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

0,30

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 сделатьвывод критическая температура для крупного песка составляет 1580° С, а длямелкого песка-1620° С. При превышении ееглубина проникновения окислов сразу увеличивается от 0,05 до 0,30 мм. Четкойзакономерности изменения состава окислов обнаружить не удается.

/>Из практики производства отливок в обычных песчано-глинистыхформах хорошо известно, что с повышением температуры заливки пригар увеличивается.Изучению влияния этого фактора на образование механического пригара посвященряд исследований.

/>Так, в работе [13] показано, что с повышением температуры заливки возрастаетглубина проникновения стали в стенки формы (Рис.20). При температуре заливки до1620° глубина проникновения в формовочную смесь с крупнозернистым пескомбольше, чем с мелкозернистым. Однако при температуре заливки выше 1620°указанная закономерность нарушается: в смеси с мелкозернистым песком глубинапроникновения стали становится больше, чем с крупнозернистым. Это явлениеавторы объясняют тем, что при температуре выше 1600° происходит сплавление мелкихзерен и образование новых полостей, имеющих значительно большие размеры, чеместественные поры между зернами мелкого песка. Крупные же зерна не сплавляютсяили сплавляются в гораздо меньшей степени.

На Рис.21 представлены результаты опытов Б. Б. Гуляева и Ю.Ф. Боровского[10] по изучению влияния температуры заливки на глубину проникновенияжидкого металла в стенки формы. Кривая 1 относится к смеси, изготовленной изкварцевого песка марки К016А, кривая 2 к смеси из молотого хромомагнезита,кривая 3 к смеси из хромистого железняка с зерновым составом, примерносоответствующим кварцевому песку. На Рис.21 видно, что глубина проникновениястали особенно резко возрастает с по/>вышением температуры заливки при применении песчаной формы.Причем в области высоких температур заливки глубина проникновения стализначительно превышает радиус зерен формовочной смеси. Различие в характерекривых объясняется различной теплопроводностью применяемых формовочных материалов.При применении формовочных материалов с высокой теплопроводностью(хромомагнезит, хромистый железняк), вследствие интенсивного охлаждениязаливаемого металла, проникновение его в поры формовочной смеси не получаетзначительного развития.

/>Э. Книпп отмечает, что для каждой смеси существуеткритическая температура, свыше которой происходит образование пригара. Этакритическая температура зависит от теплопроводности смеси. Чем вышетеплопроводность формовочной смеси, тем быстрее на поверхности формы образуетсязатвердевший слой, препятствующий проникновению металла.

еще рефераты

Еще работы по металлургии

Реферат по металлургии

Барий и его соединения

31 Августа 2013

Реферат по металлургии

Благородные металлы на службе у человека

31 Августа 2013

Реферат по металлургии

Важнейшие природы соединения алюминия

31 Августа 2013

Реферат по металлургии

Влияние температуры на пластичность металла

31 Августа 2013