Файл: Разумов, В. Н. Технология литейного производства учеб. пособие.pdf

ко-диффузионного взаимодействия. Для титановых силавов, в частности, приходится плавку вести в медном, интенсивно охлаждаемом, тигле в особо чистой по кисло­ роду среде. Первые порции расплавленного металла зат­ вердевают на стенке такого тигля, образуя защитный слой, который принято называть гарнисажем. Внутри гарнисажа уже без осложнений можно расплавить всю порцию титанового сплава. Для изготовления форм ре­ комендуются материалы с высокой теплопроводностью н теплоаккумулирующей способностью, защищенные от заливаемого металла плотным слоем достаточно инерт­ ных окислов или карбидов.

Изготовление отливок из железных сплавов, в пер­ вую очередь из сталей, сопровождается как фильтрацией жидких фаз, так и химическим взаимодействием. В ре­ зультате изменяются строение и свойства прилегающей к отливке части стенки формы, состав и свойства поверх­ ностного слоя металла отливки.

Изменившую свое строение и свойства часть стенки формы или стержня принято называть пригарной кор­ кой. Она может легко отделяться от отливки и тогда мы говорим о легкоотделимом пригаре, а корку называем «шубой». Она может прочно удерживаться на отливке, тогда мы говорим о трудноотделимом пригаре.

При изучении строения и состава пригарных корок обнаружены окислы железа, стекловидные и минерали­ зованные новообразования, претерпевшие изменения зерна кварцевого песка или других минералов (если смесь сделана не из кварцевого песка) и прожилки или корольки металла отливки. М . Н. Богдановский и В. И. Репкина при изготовлении крупных отливок из низ­ коуглеродистой стали в песчано-глинистых формах наш­ ли следующее строение «шубы»:

— первый от отливки слой представлен разобщен­ ными растрескавшимися и оплавленными зернами квар­ ца, поверхность зерен превращена в тридимит и окруже­ на стекловидными новообразованиями, между зернами —

148

Толщина слоев «шубы», пропитанных фаялитом, за­ висела от толщины стенки отливки и составляла:

что при толщине стальных отливок от 10 до 30 мм пригар

бурое стекло и отдельные кристаллики фаялита.

При толщине отливки до 10 мм пригар представлен одним слоем из силикатного стекла и скелетных крис­

таллов фаялита.

В формах из жидкостекольных смесей, кроме окис­ лов железа, фаялита, силикатного стекла и остатков кварцевых зерен, они нашли кристаллы типа акмита

(Na20Fe20 34Si02). В смесях на основе корунда (А120 3)

в пригаре обнаружен герцинит (F e0 -A l20 3), фаялит, же­ лезистое стекло с включениями FeO, остаточные зерна корунда серого и бурого цвета. В смесях на основе цир­ кона (ZrSiCh) — фаялит, силикатное стекло, зерна цир­ кона. Фаялит содержит включения фазы типа FeO Zr02.

или 2Fe0Zr02.

Интересно отметить, что даже в формах из корунда (А120 3) в пригарных корках находят фаялит (2Fe0Si02). Увеличение содержания S i0 2 в пригарных корках обна­ ружил в своих опытах и Н. М. Прохоров. При литье по выплавляемым моделям в стенке формы он нашел 88%

А120 3 и 10,8% S i0 2. В пригарной корке оказалось 47,8%

А120 3, 18,6% S i0 2 и 32,3% FeO. П. П. Берг к основным вновь образующимся в пригарной корке минералам от­ носит:

— в песчано-глинистой смеси при заливке углероди­ стой стали — фаялит 2 Fe0Si0 2 и гематит Fe20 3;

— в песчано-глинистой форме при заливке марганцо­ вистой стали— тефроит 2 M n0Si02, родонит M n O Si0 2 и

—в магнезитовой форме при заливке марганцовис­ той стали — форстеррит 2 M g0 S i0 2 и периклаз M gO;

—в хромомагнезитовой форме при заливке хромо-

149

никелевой стали — периклаз M gO , пикотит M g0 C r20 3, монтичеллит C aO M gO S i0 2, форстеррит 2M gOSiÖ2;

— в песчано-глинистой форме при заливке хромони­ келевой стали — хромит Fe0Cr20 3.

Находят в пригарных корках и другие новообразо­ вания, появившиеся в результате химических реакций или растворения одних веществ в других. Отмечается, что химическое взаимодействие не завершается после образования на отливке твердой корки, оно усиливается именно после затвердевания металла отливки и протека­ ет, пока металл не охладится до 800—600° С.

Появление новообразований изменяет условия про­ никновения жидких фаз в поры стенки формы. С. И. Попель определил, что у оксидных расплавов на плавлен­ ной магнезии, шамоте и кварце угол Ѳ находится в преде­ лах от 0 до 20°. Следовательно, они смачивают стенки форм лучше, чем окисленные металлы. Кроме того, возникает процесс фильтрации двухслойной жидкости. А для этого процесса при достижении равновесия соблю­

где о1 и 01.2— поверхностные натяжения верхней, сма­ чивающей жидкости и на границе между двумя жидкостями;

гм, и Гщ— радиусы менисков на поверхности смачи­ вающей жидкости и на границе двух жидкостей;

р| и р2 — плотности рассматриваемых жидкостей;

/і! и h2— высота подъема по капилляру верхней смачивающей жидкости и подстилающей ее всасываемой нижней жидкости.

Проводя опыты по фильтрации оксидного расплава, состоящего из 18% S i0 2, 7% Fe20 3 и FeO остальное, при подстилающей его углеродистой стали, С. И. Попель по­

= 260 МДж/м2 и по расчету ^2равнов= 43 см. Следователь­ но, образовавшиеся на границе с отливкой оксидные рас­ плавы не только хорошо фильтруются через поровые ка­ налы формы, но и всасывают за собой жидкий металл, даже если он не смачивает форму.

150

Наряду с химическими реакциями в пригарной кор* ке происходит спекание и сплавление частиц формовоч­ ной смеси, приводящее к увеличению объема пор и изме­ нению их конфигурации Л . Л. Кунин указывает, что при сплавлении кварцевого песка его плотность увеличива­ ется с 1700 до 2650 кг/м3, что приводит к увеличению объ­ ема пор в стенке формы на 36%. На рис. 64 показаны данные И. В Валисовского и А. А. Багрова о изменении линейных размеров образцов различных формовочных смесей при нагреве их в дилатометре.

Рис. 64. Расширение и усадка некоторых формовочных смесей при нагревании

Приведенные данные показывают, что все смеси при нагревании до 400—600° С расширяются, а затем дают усадку, обусловленную спеканием частиц. Несколько иначе ведут себя только смеси из хромистого железняка с жидким стеклом, усадка которых начинается при наг­ реве выше 1000° С, и из кварцевого песка с жидким стек­ лом, которые при нагреве выше 900° С вновь интенсивно расширяются.

Изменение объема пор и их конфигурации в процес­ се взаимодействия не позволяет рассчитывать фильтра­ цию по классическим уравнениям гидравлики. Количест­ венную оценку фильтрации для таких случаев можно осу­ ществить только на основании опытных данных, обоб­ щенных методами теории подобия. Таких данных у нас пока нет и потому количественных расчетов фильтрации оксидных расплавов с жидким металлом в порах форм мы делать не можем.

151

Рассматривая физические закономерности спекания твердых частиц, Г. Ф. Баландин и В. А. Васильев подчер­ кивают, что этот процесс происходит тем легче и быст­ рее, чем мельче сами частицы. Известно, что более мел­ кие частицы обладают и большей химической активно­

полностью переходят в силикатные и железистые стекла, в новые химические соединения или спекаются с более крупными зернами смеси.

П. В. Черногоров и Ю . П. Васин сделали термодина­ мический анализ реакций в песчано-глинистой и песчано­ жидкостекольной смесях. В песчано-глинистых смесях по их данным глина, состоящая в основном из каолинита

(Al203-2Si0 2-2H 20 ) , при 450—900° С отдает влагу по ре­

акции АІ20з25і022Н20=АІ20з25і02+Н20пар и при даль­ нейшем нагреве является основным источником образо­

рия Ыа2СОз и кварцевый песок. Однако при заливке в форму чугуна термодинамически наиболее вероятны ре­ акции 4Na2C 0 3+ 4 F e + 45Ю 2геЛь = 4 (Na20 S i0 2) + 4FeO

достоверных результатов и пользоваться им надо с большой осторожностью. В данном случае он только под­ тверждает вероятность высокой химической активности дисперсных частиц глины и геля S i0 2.

На процессы взаимодействия оказывают свое влия­ ние и электрохимические явления. При соединении окис­ лов металла отливки с окислами формовочной смеси по схеме Ме0ТЛО + Меф-Ог— Л4е0тлО-Л1ефО2, благодаря вы­ сокой подвижности анионов кислорода образуется диф­ фузионный потенциал. Б .И .М архасев и А. А. Мулик спе­ циальными опытами показали, что в гальванической паре FeO—S i0 2 электродвижущая сила достигает 50—

152