ochenka (Анализ методов оценки сцепления пригара на стальном литье)

Введение.

Введение.

Борьба с пригаром является важным направлением в литейном производстве, т.к пригар ухудшает товарный вид отливок, сильно затрудняет обрабатываемость резанием. Очистка литья от пригара является тяжелой и вредной для здоровья работающих операцией. Для оценки эффективности действия применяемых и разрабатываемых противопригарных покрытий и противопригарных добавок в формовочные и стержневые смеси, а также для оценки пригараемости обычных смесей важно количественно определить величину пригара. В данной работе рассмотрены существующие методы качественной и количественной оценки пригара на отливках, рассмотрены их достоинства и недостатки и выбраны оптимальные методы оценки, которые можно применять как в лабораторных исследованиях, так и на производстве.

В данной работе отдается предпочтение количественным методам оценки пригара, так как они исключают субъективное мнение исследователя, что позволяет получить более достоверные результаты.

1.Анализ факторов влияющих на образование пригара.

И. Б. Куманин дает следующие определения видам пригарной корки.

Механический пригар — корка сцементирована металлом, проникшим в поры формы.

Термический пригар — корка сцементирована сплавившимися составными частями формовочной смеси или легкоплавкими силикатами, образовавшимися в форме.

Химический пригар—корка сцементирована соединениями типа шлаков, образовавшимися при взаимодействии отливки и формы. Рассмотрим условия образования каждого вида пригара.

1.1 Механический пригар

Механический пригар образуется при проникновении в поры формовочной смеси жидкого сплава или маточного раствора, т. е. в тех случаях, когда с поверхностью формы соприкасается жидкий металл или полузатвердевшая корочка отливки. Следовательно, пригар может образовываться, если температура на поверхности раздела металл-форма будет превышать температуру солидуса данного сплава. Механический пригар будет увеличиваться при повышении температуры заливки металла, увеличении интервала кристаллизации сплава, массивности отливок или отдельных их частей («тепловые» узлы), уменьшении теплоаккумулирующей способности формовочных смесей, форм и стержней.

Механический пригар может образовываться в том случае, когда ферростатическое давление металла превысит определенное «критическое» сопротивление смеси. Поэтому увеличение давления металла сверх этого «критического» неизменно ведет к резкому возрастанию механического пригара. Это явление И. Б. Куманин объясняет следующим. Скорость отдачи тепла струйкой металла стенкам канала уплотненной формовочной смеси не зависит от скорости течения металла, так как отвод тепла определяется формой в целом.

За промежуток времени, в течение которого кончик струйки металла затвердевает, увеличение давления приводит к увеличению скорости движения струйки, т. е. ее дальнейшему перемещению на большую глубину. Проникновение металла увеличивает передачу тепла формой, что, в свою очередь, приводит к более быстрому прогреву глубоких слоев формы и, следовательно, к увеличению общей скорости и глубины проникновения металла.

Как это показал И. Б. Куманин, в конце струи металла, заполняющего форму, непрерывно образуется твердая корочка. Твердая корочка образуется также в конце каждой струйки металла, проникающего в поры формы. Повышение температуры содействует растворению этой корочки в металле, а повышение давления — ее прорыву, что в целом приводит к росту механического пригара. Упрощенно критическое давление Ркр при котором металл и может проникнуть в поры формы, определяется из отношения I

, (2.1)

где Ркр — критическое давление, соответствующее началу образования пригара, в кГ/см²;

Ркап — капиллярное противодавление в кГ/см²;

Ргаз — газовое противодавление в кГ/см²;

(2.2)

где σ — поверхностное натяжение жидкого металла на границе с газом в эрг/см²;

θ — краевой угол смачивания;

r — радиус поры в см;

g — ускорение силы тяжести в см/сек².

Следовательно, образование механического пригара предотвращается, если:

(2.3)

Ркап увеличивается, если уменьшается радиус пор, величин, которых тем меньше, чем тоньше структура наполнителя. Следует заметить, что величина пор будет зависеть не только от структуры смеси, но и от условий ее спекания при высоких температурах Введение некоторых добавок, в обычных условиях снижающих пригар (например глины, бентонита, жидкого стекла), в тяжелых тепловых условиях при значительном давлении металла может приводить к спеканию смеси, увеличению размера пор и возрастанию механического пригара. Ркап уменьшается при уменьшена величины поверхностного натяжения металла и снижении краевой угла смачивания.

С увеличением температуры чугуна его поверхностное натяжение обычно снижается, и соответственно с увеличением температуры заливки чугуна увеличивается опасность образована механического пригара.

При стальном литье эта опасность относительно меньше, так как увеличение температуры стали, приводит не к уменьшению, а к увеличению поверхностного натяжения.

Поверхностное натяжение стали существенно снижается пpи увеличении содержания в ней углерода, фосфора, серы, кислорода азота. Поэтому увеличение содержания этих компонентов в стали, может приводить к увеличению механического пригара.

Величина краевого угла смачивания зависит от ряда факторов:

типа сплава, степени его окисленности, продолжительности контакта жидкой и твердой фаз, размера зерен формовочных смесей и др.

Из результатов экспериментальных исследований, проведенных И. В. Валисовским в ЦНИИТмаше отметим установленную зависимость степени смачивания от химического состава поверхностных слоев жидкого металла и формы. Чем больше химический потенциал реакций, протекающих на поверхности раздела металл—форма, тем меньше краевой угол смачивания. Поэтому увеличение степени окисленности стали резко уменьшает краевой угол смачивания при изготовлении форм из кварцевого песка (рис. 1) и значительно в меньшей мере при изготовлении форм из хромомагнезита или хромистого железняка (рис. 1, б) [6].

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

В случае нейтральной или восстановительной среды вполне удовлетворительные результаты дает использование кварцевых песков.Влияние размера зерен песка на условия смачивания зависит от контакта металла с поверхностью зерен и с газом, находящимся в порах смеси.

Р
ис.1. Влияние окисленности жидкого металла на краевой угол смачивания:

а—кварцевого песка; б—хромистого железняка.

.

. Установлено, что при отрицательном смачивании (cosθ<0) независимо от газовой среды увеличение размера зерен приводит к значительному увеличению смачивания. При положительном смачивании (cosθ>0) изменение размера зерен не влечет за собой изменения краевого угла смачивания, повышение температуры металла в пределах до 100° С над ликвидусом не изменяет величины краевого угла смачивания.

Из формулы видно, что величина Pкр в значительной мере зависит от Ркап, т. е. от противодавления газов в порах смеси. Дополнительные исследования, проведенные Я. И. Медведевым [6]; ЦНИИТмаше, позволили определить величину избыточного давления газа Ад в стенках формы:

(2.4)

где,

а—удельная константа газовыделения см-мин, а = qm,

где q — величина газотворности единицы объема формовочной смеси cм^з/cм^з;

т—коэффициент прогрева, определяющий интенсивность нагрева формовочной смеси до температуры газификации газотворных веществ l см-мин г;

τ — время от начала заливки в мин;

V — объем пор в смеси в см³;

μτ— пропускная способность стержня или формы, прямо пропорциональная газопроницаемости и приведенному сечению газового потока в стержне или форме и обратно пропорциональная длине фильтрации газа;

S — поверхность контакта металла и формы в см²;

с — константа.

Анализ зависимости позволяет определить, какие факторы содействуют увеличению Ркап какие снижают его величину.

В частности, утонение структуры наполнителя, уменьшение размера пор и соответственно уменьшение газопроницаемости смеси будет увеличивать Ргаз и уменьшать возможность образования механического пригара.

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.