Файл: Медведев Я.И. Технологические испытания формовочных материалов.pdf

Г л а в а X I

ПРОТИВОПРИГАРНЫЕ СВОЙСТВА СМЕСЕЙ

ВИДЫ ПРИГАРА И ПРИЧИНЫ ЕГО ОБРАЗОВАНИЯ

Пригар на отливках является одним из самых распространен­ ных дефектов, значительно увеличивающим трудоемкость обруб­ ных и очистных работ.

На протяжении многих лет литейщики изучают механизм об­ разования 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 чрезвычай­ ной 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 фор­ мовочного материала и цементирующего вещества. В зависимости от природы цементирующего вещества различают три вида пригара: 1) механический (цементирующим веществом является металл, проникший в поры формы); 2) химический (зерна формовочного материала сцементированы жидкими продуктами взаимодействия окислов металла, покрывающих отливку, с окислами формовочных материалов); 3) термический (сплавление зерен формовочного ма­ териала и приваривание их к отливке происходит из-за недостаточ­ ной огнеупорности смеси, точнее — огнеупорности наиболее легко­ плавких составляющих формовочных материалов). Однако спека­ ние отдельных зерен смеси может происходить также в результате реакций в твердых фазах. Чем мельче зерна формовочного мате­ риала, тем при более низкой температуре может спекаться смесь.

Считают, что термический пригар встречается на практике весьма редко, так как огнеупорность формовочных материалов всегда выше температуры заливки металла. Имеющиеся в формо­ вочных материалах легкоплавкие примеси, например слюды и по­ левые шпаты в кварцевом песке, снижают их температуру плавле­ ния на незначительную величину, что практически исключает образование термического пригара. Однако смеси с жидким стек-

Из изложенного выше следует, что при изучении взаимодей­ ствия металла и формы приходится сталкиваться с очень боль­ шим числом переменных во времени факторов, определяющих ве­ личину 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. Противопригар­ ные свойства смесей есть комплекс многих свойств металла и фор­ мовочных материалов, а также условий заливки металла в форму. Нельзя говорить о противопригарных свойствах данной смеси вообще без учета свойств металла. Известно, что смеси, позволяю­ щие получать чистые от пригара отливки из одного сплава, ока­ зываются непригодными для отливок из других сплавов.

Сложность процессов взаимодействия металла и формы вынуж­ дает литейщиков идти по двум путям оценки противопригарных свойств. Первый путь заключается в том, чтобы раздельно изучать один или небольшую группу факторов, преимущественно влияю­ щих на какой-либо вид пригара. Этот путь является наиболее трудным и кропотливым, так как требует подчас изучения чисто физических величин на довольно сложных и громоздких установ­ ках. Однако он дает более общие решения, позволяет строить теоре­ тические 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 практи­ ческим, 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. Этот путь наиболее прост, не требует сложных приборов и установок и позволяет быстро получать реше­ ние конкретной задачи для практического использования.

Здесь будут рассмотрены методы изучения различных видов пригара и их комбинаций в целом и отдельных факторов, влияю­ щих на тот или иной вид пригара. В ряде случаев разделение пригара на его отдельные виды осуществляется с определенными оговорками.

МЕХАНИЧЕСКИЙ ПРИГАР

Механический пригар наиболее часто встречается в практике, особенно при изготовлении крупных отливок. На удаление меха­ нического пригара с поверхности отливок затрачивается значи­ тельно больше труда, чем на удаление других видов пригара. Поэтому основное внимание литейщиков должно быть обращено на изыскание путей предотвращения указанного дефекта.

Механизм проникновения жидкого металла в поры формы и образования механического пригара может быть представлен

следующим образом. Расплавленный металл, соприкасаясь с хо­ лодной формой, резко охлаждается с поверхности. Скорость ох­ лаждения металла определяется начальной температурой и теплоаккумулирующей способностью формы, температурой заливаемого металла, величиной его теплоты кристаллизации и т. д. В том слу­ чае, когда скорость отвода тепла от металла будет достаточной для быстрого образования твердой и плотной корки на поверхности отливки, не может быть и речи об образовании механического пригара.

Если образовавшаяся твердая корка недостаточно плотная, то сквозь ее поры может просочиться жидкий металл из внутренних слоев отливки, что вызовет появление пригара. Этот случай наи­ более вероятен при заливке сплавов с большим интервалом кри­ сталлизации.

Если интенсивность отвода тепла с поверхности отливки недо­ статочно велика, чтобы могла быстро образоваться твердая корка или образовавшаяся вначале корка вновь расплавиться за счет тепла, выделяющегося при кристаллизации, то со стенкой формы будет граничить жидкий металл и может начаться проникновение его в поры формы.

Однако проникновение не может произойти сразу же после контакта металла с формой. Известно, что жидкий металл, хорошо раскисленный перед заливкой, не смачивает формовочный мате­ риал. Поэтому для начала проникновения необходимо создать некоторое давление металла, превышающее силы капиллярного противодавления. Кроме того, при нагреве из смеси выделяются в значительном количестве газы и пары, которые также будут пре­ пятствовать проникновению металла. В тот момент, когда давле­ ние металла рм, соприкасающегося с формой, превысит сумму газового рг и капиллярного рк противодавлений, произойдет про­ никновение металла в поры смеси. Следовательно, образование механического пригара начинается в момент, когда выполняется условие

Рм^Рг + Рк- (91)

Давление, при котором начинается проникновение, называют критическим давлением. Давление металла, или металлостатическое давление, определяется высотой столба жидкого металла в форме.

Заливка формы производится с некоторой конечной ско­ ростью, поэтому время достижения металлостатического давле­ ния, требуемого для выполнения условия (91), также является вполне определенным, зависящим от конфигурации отливки, рас­ положения ее в форме, скорости заливки и т. д. Если высоту столба металла, необходимую для начала проникновения, обозначить через Я , а среднюю скорость подъема уровня жидкого металла

в форме — через v, то время, в течение которого будет достигнута высота Я,

Скорость образования твердой корки на отливке подчиняется

Однако в общем случае нарастание твердой корки начинается не с момента соприкосновения жидкого металла с формой, а через интервал времени, в течение которого температура на поверхности раздела понижается до температуры начала затвердевания.

металлостатическое давление не уравновесится силами капилляр­ ного и газового противодавлений. По данным Аттертона, собст­ венно проникновение металла происходит с весьма большой ско­ ростью (до 75 мм/сек) [169].

Непосредственные измерения в изотермических условиях по­ казали значительно меньшую скорость (10—30 мм/сек). В условиях реальной формы скорость проникновения будет еще меньше, так как металл проникает в смесь не сразу на полную глубину, а по­ степенно, по мере прогрева формы. Вследствие малой теплопро­ водности формовочных смесей нагрев формы происходит медленно. Струйки металла, достигающие за короткое время холодных зон формы, затвердевают; через некоторое время температура этих зон формы повысится настолько, что металл в порах смеси вновь расплавится, и проникновение его будет продолжаться. Такое ступенчатое проникновение продолжается до тех пор, пока либо уравновесится металлостатическое давление, либо прогрев формы будет недостаточным для очередного расплавления металла. Если стержень прогревается по всему сечению до температуры жидкого металла, то при достаточном металлостатическом давлении может произойти так называемая металлизация, т. е. сплошное проникно­ вение металла по всему сечению стержня.

Таким образом, при изучении механического пригара необхо­ димо исследовать температурные условия затвердевания отливки, степень и интенсивность прогрева формы а также скорость про­ никновения металла в поры формы в зависимости от разных факто­ ров (размеров пор, давления, вязкости, смачиваемости и т. д.). Температурные условия обычно определяют либо непосредствен­ ным замером термопарами, либо расчетом. Теория затвердевания 214