Анализ методов оценки сцепления пригара на стальном литье (стр. 2 из 8)

В последнее время в работах И. Б. Куманина и В. А. Денисова было дано аналитическое решение задачи определения условий образования и предотвращения механического пригара.

Л. Б. Куманин аналитически доказал, что толщина механического пригарного слоя зависит от газопроницаемости формовочной и, коэффициента аккумуляции тепла формой, давления металла на форму, жидкотекучести залитого металла, вязкости пригарной жидкости, теплофизических свойств металла и приведенной толщины отливок.

На практике для борьбы с механическим пригаром следует применять пески с мелкой структурой (например, по ГОСТ 2138-56, группа 016), использовать краски, а в необходимых случаях пасты, шире применять смеси, обладающие повышенным коэффициентом аккумуляции тепла (например, хромомагнезитовые смеси и смеси с хромистым железняком для стальных отливок).

1.2Термический пригар

Термический пригар представляет собой спекшуюся массу формовочной или стержневой смеси. В простейшем случае спекание может произойти за счет расплавления или размягчения отдельных недостаточно огнеупорных зерен (примесей), содержащихся в составе исходных формовочных материалов, или неорганических связующих материалов. В других, более сложных условиях процесс спекания происходит в результате взаимодействия различных, иногда очень огнеупорных составных частей смеси и образования при таком взаимодействии новых легкоплавких силикатных соединений. Свободные от примесей пески и глины отличаются очень высокой тугоплавкостью (кварц SiO; при нагревании претерпевает ряд аллотропических изменений и плавится при 1710º С C, каолинит Al

O •SiO •H O теряет свою конституционную воду, разлагается и плавится при температуре примерно 1780°. Вместе с тем, смеси песка и глины всегда имеют пониженную температуру плавления.

Толщина корки термического пригара определяется температурой затвердевания образовавшихся в форме силикатов и глубиной прогрева формы до этой критической температуры.

Термический пригарный слой, как это видно из классификации либо не связан с отливкой, либо умеренно связан с ней. Термический пригар, если он не сопровождается окислением залитого сплава, проявляется в виде спекшейся корки смеси, которая при ударах отходит от отливки и рассыпается на отдельные комья.

Борьба с термическим пригаром осуществляется в основном созданием условий, препятствующих спеканию формовочных материалов, и мерами, сокращающими силы сцепления между отливкой и пригарной коркой. К последним относится создание Рме восстановительной среды.

Например, при литье чугуна уголь, вводимый в состав облицовочных смесей, а также углеродистые материалы для красок, натирок и припылов должны выбираться с таким расчетом, чтобы среда, обеспечивающая восстановление окислов металла на поверхности отливок, могла сохраняться в форме в течение всего времени, пока, пригарная, жидкость не перейдет в твердое состояние. Для отливок различной величины и массивности это время может значительно колебаться.

Создание в форме восстановительной или нейтральной среды в ряде случаев оказывает положительное влияние не только на условия образования термического пригара, но и на условия образования других видов пригара.

Так, Л. Е. Плотинский показал, что создание восстановительной среды в форме и нанесение на ее поверхность каменноугольной смолы позволяет получать стальные отливки (в том числе из высоколегированных хромоникелевых сталей) с поверхностью, свободной от плен и пригара.

Р. И. Бучин получил совершенно чистую поверхность изделий небольшого веса из нержавеющей стали, отлитых в сырые формы, продуваемые азотом в течение 15—20 сек до начала заливки и в процессе заливки.

Эти и другие примеры свидетельствуют о том, что создание в форме нейтральной и восстановительной среды является благоприятным не только при изготовлении чугунных, но и в ряде случаев стальных отливок, если поверхностные покрытия формы не науглероживают поверхности стальных отливок.

При изготовлении чугунных отливок с использованием смесей с жидким стеклом создание в форме восстановительной среды оказывается недостаточным. Для получения чистой, свободной от пригара поверхности чугунных отливок формы и стержни необходимо окрашивать.

1.3Химический пригар

Химический пригар возникает при взаимодействии окислов металла, находящихся на поверхности отливки с формовочным материалом. Цементирующая пригар жидкость представляет собой. Сложное силикатное соединение, обогащенное металлическими окислами (FeO, MgO и др.), дополнительно понижающими температуру затвердевания пригарной корки.

Глубина проникновения в формовочную смесь окислов металла или легкоплавких соединений, образующихся на границе форма-металл, определяется рядом факторов: температурой затвердевания легкоплавких соединений, количеством окислов металла, в свою очередь зависящих от атмосферы литейной формы, глубиной прогрева формы до температуры затвердевания окислов или легкоплавких соединений, смачиваемостью окислами или легкоплавкими соединениями материала формы. Диффузия окислов может происходить и при температурах, более низких, чем температура их затвердевания. Поэтому образование химического пригара возможно и в том случае, если металлические окислы не будут легкоплавкими.

При наличии окислов металла с низкой температурой плавления принципиально возможен и обратный процесс—диффузия тугоплавких компонентов формовочной смеси (например, SiO

) в жидкие окислы. Наконец, жидкая фаза может образоваться за счет взаимодействия твердых окислов с нерасплавленными составными частями формовочной смеси, для этого необходим тесный контакт между ними, достаточное время и наличие такого количественного соотношения веществ, при котором получаются легкоплавкие соединения.

Особенностью химического пригара является значительная насыщенность пригарной жидкости окислами металла.

Благодаря повышенной основности этой жидкости она интенсивно действует на зерна песка, растворяя в себе кремнезем. По сравнению с термическим пригаром корка химического пригара является значительно более слитной, содержащей гораздо меньше нерастворенных и неизменных зерен кварца.

Прочность связи между пригаром и отливкой определяется рядом факторов. Ю. А. Клячко и Л.Л. Кунин [9], базируясь на работах П. Д. Данкова и Н. А. Шишакова, считают, что наибольшие силы сцепления разовьются тогда, когда затвердевание пригарной жидкости сопровождается достройкой ранее затвердевших кристаллов залитого в форму сплава. Это возможно, если параметры пространственных решеток сплава и цементирующей пригар массы близки между собой. При соблюдении этого условия появляются смешанные кристаллы, исчезает четкая граница между пригаром и металлом и пригарный слой оказывается трудноотделимым. Ю. А. Клячко и Л. Л. Кунин [13] предположили, что связь пригара с отливкой значительно уменьшится, если охлаждающаяся пригарная жидкость будет кристаллизоваться не на поверхности отливки, а вокруг образующихся в ней центров кристаллизации. В этом случае прочность связи пригара с отливкой определится сцеплением между разнородными кристаллами, расположенными вдоль строго ограниченной границы соприкосновения различных по своей природе веществ. Эти представления пока не находят прямого экспериментального подтверждения, так как структура пространственных решеток сложных силикатов еще мало изучена. Затруднения возникают также в связи с тем, что состав пригарной жидкости не однороден в точках, различно удаленных от отливки. Следовательно, структура затвердевшей пригарной массы не является постоянной.

И. Б. Куманин считает, что прочность связи пригарного вещества с отливкой (в случае химического вида пригара) зависит от условий затвердевания жидкости, цементирующей пригар.

Сущность этих представлений сводится к следующему. Прочность связи между металлом и коркой пригара резко уменьшается, если содержащаяся в пригаре жидкость затвердевает в аморфном (стекловидном) состоянии. Стеклообразный характер пригарной массы обеспечивает уменьшение связи этой массы с отливкой. Под «шубой» скалывающегося стекловидного пригара обычно обнаруживается чистая и ровная поверхность отливки. Практическое получение стекловидного пригара облегчается сходством между составом химического пригара и составом металлургических шлаков. Известно, что получение аморфных шла

ков можно достигнуть, увеличивая скорость их охлаждения или изменяя их состав.

Рис.2. Количество центров кристаллизации N и линейная скорость роста кристаллов о в зависимости от степени переохлаждения сплава с малым (а) и большим (б) интервалами кристаллизации.

Жидкие силикатные массы требуют сравнительно незначительного переохлаждения ниже температуры солидуса для того, чтобы возникновение и рост кристаллов в этих жидкостях прекратились и чтобы вся жидкость при последующем охлаждении затвердела в стеклообразном состоянии.

Наиболее легко стеклообразные массы образуют силикатные сплавы с малым интервалом кристаллизации. Это объясняется тем, что в системах с большим интервалом кристаллизации первоначально выделяющееся твердое вещество имеет возможность свободно развиваться в виде кристалла, получая необходимый для роста материал из оставшейся еще подвижной и не слишком вязкой жидкости.