Тема: качество литых поверхностей

ЛЕКЦИЯ 17.

План лекции

1. Оценка качества литой поверхности, влияние качества поверхности отливки на ее свойства.

2. Условия получения качественных поверхностей форм.

3. Пригар на поверхности отливок.

4. Мероприятия, предупреждающие образование пригара.

В большинстве случаев качество литых поверхностей доводится до тре- буемой нормы тем или иным способом механической обработки. Поэтому, если неудовлетворительная структура литого металла или недостаточная плотность отливки обычно приводят к ее забракованию, то низкое качество ее поверхности вызывает лишь затраты на дополнительную обработку. Только в том случае, если затраты на такую обработку будут превышать стоимость по- вторного изготовления отливки (что бывает, например, при большом прига-

ре), последняя бракуется. Поэтому качество литых поверхностей часто опре-

деляется наличием и величиной пригара.

Поверхность с пригаром. Пригар обычно определяют как неметалличе- ский слой, состоящий из зерен песка, сцементированных либо металлом по- сле его затвердевания (механический пригар), либо неметаллическим распла- вом, полученным в результате взаимодействия окислов металла и материалов формы (химический пригар). Из этого определения следует, что в основу классификации пригара (механический, химический) положено его строение.

В процессе заполнения формы расплавом, затвердевания и охлаждения отливки происходит повышение температуры и изменение состояния, состава и свойств формовочной смеси. При этом компоненты сплава взаимодейству- ют с компонентами материала формы и атмосферой, вступают в химические реакции, сплав выделяет и поглощает газы, оказывает силовое воздействие на стенки формы (размывает, сжимает элементы формы), проникает в поры формы и т.д. В результате указанных процессов в отливках образуются де- фекты, ухудшающие качество поверхности отливок.

Этот слой прочно удерживается на поверхности отливки.

Образование пригара обусловлено проникновением сплава в поры фор- мы под действием капиллярных сил и давления металла на стенки формы. Проникновение расплава в поры формы является первой стадией процесса образования пригара, а второй его стадией является химическое взаимодейст- вие окислов металла, содержащихся в расплаве (окислов железа и легирую- щих элементов), и окислов, содержащихся в формовочных материалах. Хими- ческое взаимодействие расплава и формы усиливает проникновение металла в поры формы [2].

Проникновение металла в поры формы начинается после прогрева час- тиц формовочной смеси выше температуры начала затвердевания сплава. По- этому повышение температуры заливки и увеличение времени контакта с движущимся расплавом (длительности заливки) способствуют прогреву фор- мы и проникновению металла в поры формы (рис. 86, а, б). Наоборот, добавка в формовочную смесь более теплопроводных материалов (хромомагнезита, хромистого железняка) ускоряет охлаждение отливки и образование на ее по- верхности твердой корочки, что уменьшает возможность проникновения рас- плава в форму. Так как проникновение расплава в поры формы происходит под действием капиллярных сил и сил статического давления, применение материалов, плохо смачиваемых расплавом, и снижение давления расплава уменьшают пригар.

Давление, при котором начинается проникновение металла в поры формы, называют критическим. Величина критического давления зависит от материала формы (точнее, от его смачиваемости расплавом), зернового соста- ва формовочной смеси и степени ее уплотнения, влияющих на размеры пор в форме.

Увеличение зернистости смеси приводит к увеличению размера пор и

степени проникновения расплава. При высоком перегреве сплава вследствие спекания мелких зерен возможно образование новых, более крупных пор. В этом случае проникновение сплава даже в мелкозернистую смесь значитель- ное (рис. 87).

 

Рис. 86. Влияние температуры заливки (а) и времени соприкосновения жидкой стали при температуре 1600 оС (б) на глубину проникновения в поры формы:

1 – форма из кварцевого песка; 2 – форма из хромомагнезита; 3 – форма из хромистого же-

лезняка

Рис. 87. Влияние температуры заливки и зернового состава формовочной смеси на глубину проникновения стали:

1 – мелкий песок; 2 – крупный песок

Проникновение расплава в поры формы сопровождается процессами химического взаимодействия компонентов сплава, а также окислов послед- них, и формовочной смеси. А так как продукты взаимодействия улучшают смачиваемость поверхности пор расплавом и имеют температуру плавления, более низкую, чем формовочный материал, усиливается проникновение ме- талла в поры формы.

Проникший в форму сплав начинает интенсивно окисляться. Образо- вавшиеся окислы железа активно взаимодействуют с составляющими формо- вочной смеси, и образуются легкоплавкие соединения. Они хорошо смачива- ют зерна песка и основной сплав. Под действием металлостатического напора и капиллярных сил жидкие легкоплавкие соединения и расплав внедряются вглубь формы по мере ее прогрева, скрепляя зерна песка и образуя слой труд- ноудалимого пригара. Химическое взаимодействие сплава с формой может продолжаться и после его затвердевания вплоть до температур 600-800 °С.

Под действием высокой температуры изменяются свойства кварцевого песка и глины в поверхностных слоях формы, происходит их спекание и оп- лавление. Одновременно наблюдается химическое взаимодействие окислов

металла и формовочного материала, приводящее к возникновению новых ми- нералов и образованию в форме зоны, называемой контактной (рис. 88). В общем случае эта зона состоит из трех слоев. В первом слое глубиной до 10-

20 мм наблюдаются прожилки проникшего в форму сплава 1, растрескавшие- ся зерна песка 4, легкоплавкие продукты химических реакций (новообразова- ния) 3, поры 2. Заметно частичное спекание формовочной смеси. Во втором слое, обычно более светлом, заметны растрескавшиеся и оплавившиеся зерна песка 4, отдельные очаги новообразований 3. Глубина слоя достигает

15-30 мм, а при литье очень крупных отливок 50-60 мм. В третьем слое зерна песка 5 почти не изменяются, происходит оплавление лишь отдельных из них, а также легкоплавких частиц, присутствующих в формовочной смеси.

Общая величина контактной зоны и соотношение размеров отдельных ее слоев зависят от температуры заливаемого сплава и физико-химических свойств формовочных смесей. Например, вследствие уменьшения интенсив- ности взаимодействия между окислами металла и составляющими смесей на основе хромомагнезита и хромистого железняка пригарные корки получае- мых в них стальных отливок сравнительно малы и легко отделяются.

Пригар характеризуется прочным сцеплением зерен формовочной сме- си между собой и с металлом. Механический пригар – это охватывание зерен смеси проникшим расплавом. Прочное сцепление химического пригара с от- ливкой объясняется наличием прослойки соединений, обладающих хорошим сцеплением с металлом и частицами смеси.

Сила сцепления пригара с отливкой при комнатной температуре опре- деляется соотношением величин существующего между ними сцепления и напряжений на границе сплав – пригар. Напряжения на границе сплав – при- гар возникают вследствие разницы коэффициентов линейного расширения

этих материалов. Если эти напряжения превысят силы связи, то пригар может легко отделиться. Легкоотделимым считается пригар, который в виде корочки легко отделяется от отливки.

Рис. 88. Строение контактной зоны:

1 – отливка и сплав, проникший в поры или трещины формы; 2 – поры; 3 – новообразова-

ния; 4 – видоизмененные зерна песка; 5 – малоизмененные зерна песка

Обычно химический пригар прочно удерживается на поверхности от- ливки. Однако если в состав формовочной смеси ввести сильные окислители, например марганцевую или железную руду, то на границе раздела пригара и отливки образуется относительно толстый слой малопрочных окислов. В ре- зультате связь пригара с отливкой ослабнет и его легко удалить. Слой оки- слов должен иметь определенную толщину, иначе не произойдет легкого от- деления пригара. Например, при применении песчано-жидкостекольной сме- си толщина слоя окислов для обеспечения легкого удаления пригара должна быть не менее 100 мкм.

Мероприятия, предупреждающие образование пригара. Для предот- вращения механического проникновения расплава в поры формы необходи- мо, чтобы давление расплава было меньше критического, и температура на поверхности формы была ниже температуры затвердевания сплава.

Ускоренное образование на поверхности отливки затвердевшей короч- ки, предотвращающей механическое проникновение металла в поры формы, достигается использованием облицовочных смесей с повышенной охлаж- дающей (теплоаккумулирующей) способностью. В табл. 39 приведена тепло- аккумулирующая способность некоторых смесей для стального литья.

Замена в формовочных смесях кварцевого песка хромомагнезитом или

цирконом такого же зернового состава, но имеющими более высокую охлаж- дающую способность, уменьшает механический пригар и снижает глубину проникновения расплава примерно вдвое.

При отливке деталей из специальных сталей или в особо тяжелых усло- виях для предотвращения пригара используют специальные холодильники и различные охлаждающие устройства.

Таблица 39

Теплоаккумулирующая способность некоторых смесей для стального литья

Смесь	Теплоаккумулирующая способность, ккал/м2×ч×град
Песчано-глинистая	20-25
Песчано-маршалитовая	30-35
Быстротвердеющая	28-30
Быстротвердеющая с пылевидным кварцем	32-34
Хромомагнезитовая	40-55
Цирконовая

Уменьшение величины пор в формовочной смеси при применении мел-

козернистых песков или среднезернистых песков с добавкой мелких фракций, а также при увеличении степени уплотнения формовочной смеси повышает критическое давление и уменьшает глубину проникновения расплава в поры формы (рис. 89). Повышение давления прессования до 1 Па при уплотнении формы наиболее эффективно для снижения проникновения металла; даль- нейшее повышение давления прессования уже не вызывает заметного умень- шения глубины проникновения металла.

Рис. 89. Изменение критического давления с уменьшением пористости формы при введе-

нии в формовочную смесь пылевидного кварца

Влияние уплотнения наиболее существенно при использовании крупно-

зернистого песка.

Проникновение расплава уменьшается при снижении металло- статического давления расплава на стенки формы. Скорость заливки должна быть максимальной, а температура расплава минимально допустимой.

Для предотвращения или снижения интенсивности химической стадии

образования пригара следует, прежде всего, уменьшать окисленность распла- ва. Для уменьшения окисленности до попадания расплава в полость формы и в процессе заливки следует тщательно его раскислять, уменьшать контакт расплава с атмосферой, вводить в состав формовочных смесей специальные органические добавки, способствующие созданию в форме восста- новительной атмосферы, и т.д. Восстановительная атмосфера в форме должна создаваться с момента попадания в нее первых порций расплавленного ме- талла и сохраняться до окончания процесса взаимодействия окислов металла и формы. Добавки не должны загрязнять атмосферу цеха, оставлять в смеси вредные примеси, затруднять ее приготовление.

В качестве добавок наиболее распространены угли марок Г (газовый) и Ж (жирный). Степень помола угля следует уменьшать с увеличением средней толщины отливки. Недостатком каменноугольной пыли является значитель- ное содержание серы и золы. Вместо угля в смесь можно вводить различные пеки, битумы, а также мазут. Наиболее активные и быстродействующие вос- становители – это кальций, магний, алюминий, кремний, титан и другие, на- носимые на поверхность формы.

Основным способом предупреждения пригара, особенно на крупных отливках, является нанесение на поверхность формы специальных противо- пригарных покрытий – литейных красок и паст на основе огнеупорных мате- риалов. Покрытия создают на поверхности формы плотную, прочную и огне- упорную корку, препятствующую проникновению жидкого расплава в стенки формы. Противопригарное действие красок на основе материалов с высокой теплоаккумулирующей способностью объясняется образованием ими плотно- го барьера, препятствующего проникновению расплава. В качестве огнеупор- ного материала в красках используют аморфный и кристаллический графит, циркон, маршалит, корунд и др.

Цирконовые покрытия форм применяют для сложных отливок, к чисто- те поверхности которых предъявляются повышенные требования. Если для тонкостенных отливок достаточна толщина цирконового покрытия 0,1 мм, то для получения чистой поверхности толстостенных отливок слой краски дол- жен составлять не менее 0,5 мм. Хорошие результаты при изготовлении чу- гунных и стальных отливок обеспечивают краски на основе корунда.

Связующие материалы, применяемые в красках, делятся на три катего-

рии: крахмалистые, масляные, неорганические.

Эффективным средством предотвращения пригара стальных отливок, не имеющих крупных тепловых узлов, являются противопригарные пасты. В качестве основы противопригарных паст используют хромомагнезит, метал- лургический магнезит, хромистый железняк, циркон. Пасту наносят на слегка увлажненную поверхность формы слоем толщиной 1,5-4,0 мм и разравнивают смоченной в воде кистью. Выступающие углы формы, а также наиболее про- греваемые ее места, в частности, прилегающие к литниковой системе, покры- вают более толстым слоем пасты. В течение нескольких часов формы, покры-

тые пастой, выдерживают на воздухе («провяливают»), затем сушат по режи- мам, принятым для песчано-глинистых форм. Начальная температура печи не должна превышать 100 °С, а скорость нагрева 50-70 град/ч. Если во время сушки происходит местное отслаивание пасты, то дефектное место слегка смачивают водой и покрывают пастой повторно.

Для цирконовых паст содержание примесей в цирконе ограничивают 5-

7 %. Большее содержание примесей снижает огнеупорность и увеличивает пригар. Пасты на основе хромомагнезита и хромистого железняка рекоменду- ется использовать для отливок средних (до 5 т) и крупных (свыше 5 т), кото- рые в обычных условиях получаются с пригаром.

Один из путей получения чистой поверхности отливок – искусственное создание на поверхности формы вязкой пленки, препятствующей проникно- вению кислорода и закрывающей поры смеси. Это достигается введением в формовочную смесь 0,2-2,0 % веществ, образующих с ней при нагревании вязкие легкоплавкие шлаки. К таким добавкам относятся щелочь, жидкое стекло, подмыленный щелок, аппатитовая руда и др. Смеси с этими добав- ками можно применять многократно.

Получение отливок с чистой поверхностью.

При формовке по-сырому. Формовку по сырому применяют при изго- товлении мелких и средних отливок как в единичном, так и массовом произ- водстве. Обычно по-сырому получают отливки массой не более 500 кг, а в массовом производстве большей частью до 200 кг.

При выборе составов формовочных смесей для формовки по-сырому первостепенное внимание следует обращать на достижение достаточной прочности форм, качества песка, содержание в смеси глины, противопригар- ной добавки и воды.

Обычно при формовке по-сырому в серийном производстве на формо- вочных машинах или автоматических линиях применяют единые формовоч- ные смеси, в которых преобладающей составляющей является отработанная смесь, т.е. важнейшей задачей является предварительная ее подготовка. На- копление в отработанной смеси дезактивированной глины, золы, угольной пыли, щелочных и щелочно-земельных и других примесей увеличивает при- гар на отливках, поскольку взаимодействие окислов железа происходит в первую очередь с этими примесями и глиной. Чем выше содержание приме- сей в песке, тем ниже огнеупорность смеси и тем интенсивнее происходит взаимодействие смеси с металлом, а поэтому пригар на отливках больше.

Подготовка отработанной смеси, удаление из нее примесей повышает ее огнеупорность и способствует получению отливок с чистой поверхностью, без пригара.

Глина также ухудшает текучесть формовочной смеси, уплотняемость и вследствие этого качество поверхности форм и отливок. В массовом произ- водстве при формовке по-сырому с целью уменьшения содержания глины в формовочных смесях все чаще применяют активированные бентониты вместо

каолиновых глин. Это позволяет достичь необходимой прочности смеси при меньших расходе глины и влажности (до 3 %) и тем самым улучшить качест- во поверхности отливок.

Форма должна достаточно прочной, чтобы выдержать тепловой удар и напор залитого металла, а, следовательно, избежать размывания и продавли- вания. Чем больше напор (высота отливки), тем прочнее должна быть форма. Необходимо учитывать также эрозионное динамическое воздействие потока жидкого металла.

Кроме того, за время контакта с жидким металлом форма не должна ра- зупрочняться. Прочность формы зависит в основном от состава смеси и сте- пени ее уплотнения. Наибольшая степень уплотнения достигается при высо- ком давлении. На современных линиях формовки под высоким давлением прочность форм при сжатии составляет 1,1-2,1 кгс/см2, что в значительной степени обеспечивает высокую точность и чистоту поверхности отливок.

При формовке по-сырому для повышения прочности в смесь вводят не- большие добавки (0,05-0,15 %) органического крепителя: сульфитно- дрожжевой бражки, декстрина, крахмалита и др. Формовочную смесь перед

уплотнением необходимо тщательно разрыхлить, так как образовавшиеся в ней при приготовлении комья не разрушаются даже при большом давлении прессования, особенно в слоях формы, контактирующих с моделью и плитой. Эти комья ухудшают качество поверхности отливок.

Для получения отливок с гладкой поверхностью используют кварцевые пески группы 016 и 020 (ГОСТ 2138-91). При применении более крупнозер- нистых песков в облицовочную смесь необходимо вводить или мелкозерни- стый песок либо пылевидный кварц.

При формовке по-сырому влажность форм должна быть минимальной, чтобы испарение влаги во время заливки и контакта с жидким металлом было спокойным и не привело к отслаиванию смеси и образованию дефектов в от- ливках. В настоящее время изготавливают формы прессованием высоким давлением при влажности 2,0-3,5 %.

Для приготовления формовочных смесей с высокими физико- механическими свойствами при минимальной влажности необходимо высо- коэффективное смешивающее оборудование [5]. Желательно и дальнейшее снижение влаги в смесях. Поэтому для формовки по-сырому желательны сме- си с бентонитом, не содержащие воды и имеющие высокие противопригар- ные свойства. Применение таких смесей позволяет получать отливки с весьма чистой поверхностью без ввода в смесь противопригарных добавок.

С целью повышения поверхностной прочности и уменьшения пригара при формовке по-сырому формы иногда опрыскивают слабым раствором свя- зующего, например, ЛСТ.

Значительно снижается образование пригара при добавке в смесь пыле- видного кварца (20-30 %), цирконовой муки, графита и др. Однако необходи- мо при этом учитывать, что пылевидный кварц является вредным для челове-

ческого организма.

Эффективность действия противопригарной добавки очень сильно за- висит от ее концентрации в поверхностном слое. При вводе противопригар- ных добавок в формовочную смесь при ее приготовлении расход добавок большой. Поэтому часто вместо единых смесей применяют облицовочные с большим содержанием противопригарной добавки. С этой же целью при из- готовлении форм на автоматических линиях рекомендуют наносить жидкие противопригарные добавки только на поверхность формы [10].

При формовке по-сухому. Поскольку формовку по-сухому применяют для получения всех отливок массой свыше 200-500 кг, способы предотвраще- ния пригара на них могут быть самыми различными в зависимости от состава сплава, массы и толщины отливки, предъявляемых к ней требований и др.

Наиболее распространенным способом предотвращения пригара на от- ливках при формовке по-сухому является покрытие поверхности форм и стержней противопригарными красками.

Противопригарные добавки в формовочные смеси при формовке по-

сухому, например углеродосодержащие вещества, не применяют, так как они при сушке газифицируются и их противопригарное действие резко снижает- ся.

При формовке по-сухому прочность форм в несколько раз больше, чем

при формовке по-сырому, поэтому склонность к дефектам значительно меньше, а качество поверхности отливки намного лучше.

Если слой противопригарной краски, имеющий обычно толщину

0,1-0,5 мм, не позволяет предохранить отливку от пригара, применяют проти- вопригарные пасты, имеющие по сравнению с краской (представляющей обычно суспензии) намного большую вязкость и позволяющие получить на поверхности формы или стержня слой противопригарного покрытия толщи- ной 2-6 мм. Для небольших стержней с этой же целью используют противо- пригарные натирки.

Если отливка имеет в отдельных тепловых узлах очень большую склон- ность к пригару, то соответствующие места в форме выполняют стержнями- вставками из высокоогнеупорных материалов (хромомагнезита, циркона, хромистого железняка и др.). Кроме того, в особо сложных случаях на сталь- ном литье формовочную смесь приготовляют на основе высокоогнеупорного материала (хромистого железняка, циркона и др.).

При применении различных самотвердеющих смесей (жидкоподвиж- ных, пластичных и сыпучих) вопросы борьбы с пригаром также являются очень актуальными. Формы и стержни из жидкоподвижных (наливных) само- твердеющих смесей имеют повышенную пористость и поэтому более склон- ны к проникновению в них металла и образованию пригара. В связи с этим приходится окрашивать формы два и даже три раза.

При применении стержневых смесей с синтетическими смолами, твер-

деющих в холодной или нагретой оснастке, из-за недостаточной термостой-

кости при соприкосновении с металлом смола часто разлагается или выгора- ет, в результате чего возникает просечка металла в поверхность формы и стержня. Для предупреждения этих дефектов в смеси вводят небольшое ко- личество (0,5-2,0 %) окислов железа, железной руды и др.

Контрольные вопросы.

1. Чем может быть вызвано образование пригара на отливке?

2. Что такое механический пригар?

3. Чем отличается пригар химический от механического?

4. Каков механизм химического пригара?

5. Как влияют капиллярные силы на образование пригара?

6. На какой стадии технологического процесса изготовления отливки используется противопригарные покрытия?

7. В какие формовочные смеси добавляют углеродсодержащие вещест-

ва и для чего?

8. Как влияет характер газовой атмосферы на чистоту поверхности от-

ливки?

9. Может ли древесный уголь, входящий в состав смеси, влиять на каче-

ство чугунных отливок?

10.Как влияет на качество смеси гранулометрический состав песка?

Дата добавления: 2014-01-07