Анализ методов сокращения пригара на стальном литье - Металлургия - Скачать бесплатно
прочность сцепления
пригара с металлом будет в случае использования кварцевых смесей,
наименьшая - при использовании корундовых, цирконовых и хромитовых смесей.
На рис.8 представлена зависимость глубины проникновения окислов в
продуктов взаимодействия стали ОХ12НДЛ в различные жидкостекольные смеси
при 1550 °С.
С увеличением времени выдержки глубина проникновения на всех материалах.
кроме корунда, возрастала; в корундовые смеси глубина проникновения в
течение 30 мин была минимальной. Наибольшая глубина проникновения
наблюдалась в смесь на кварцевом песке.
Таким образом, при использовании корундовых смесей образуется много
вюстита в этот окисел остается на границе металл — смесь, а при
использовании кварцевой смеси образующиеся окислы проникают в глубь формы и
взаимодействуют со смесью[4,10].
На рис.9 приведено влияние продолжительности выдержки стали 12Х18Н9ТЛ при
1500 °С на толщину химического пригара. И здесь минимальный пригар
наблюдается на корундовых смесях. Очевидно, что корундовые смеси
обеспечивают минимальный пригар и наилучшую поверхность отливок из всех
хромистых и хромоникелевых сплавов.
Глубина проникновения окислов, образующихся на поверхности стали 110Г13Л,
характеризуется данными рис.10, Видно что наибольшая глубина проникновения
наблюдается при использовании смеси на основе кварцевого песка, наименьшая
- на основе оливина, корунда и дистен-силлиманита.
2.10. Влияние газопроницаемости формы
Газопроницаемость может влиять на пригар только косвенно: повышение
газопроницаемости связано с увеличением зерна[3,2,10].
Допуская, что связь между газопроницаемостью К и диаметром зерна 2r
выражается формулой:
[pic]
можно принять в среднем
[pic]
Следовательно, даже при повышении газопроницаемости вдвое и при
пренебрежении давлением [pic] опасность увеличения пригара возрастает в
[pic]=1,6 раза. Это увеличение заведомо завышено не только из-за резкого
изменения газопроницаемости вдвое, но и потому что при увеличении
газопроницаемости давление [pic]снижается. Увеличить газовое давление в
порах формы можно путем увеличения газотворной способности формы и
уменьшения ее газопроницаемости. Учитывая опасность образования газовых
дефектов в отливках, увеличивать газовое давление в форме нерационально.
Обычно стремятся создать в форме направленный газовый режим, для чего
повышают плотность только поверхности формы (нанесением противопригарной
краски), а в последующих слоях, по мере удаления от поверхности контакта
металл-форма, газопроницаемость повышают снижением степени уплотнения или
накалыванием вентиляционных отверстий.
3.Мероприятия сокращающие пригар на отливках.
3.1. Классификация методов борьбы с пригаром.
Эти методы можно разделить на несколько групп по признакам связанным с
величинами, входящими в формулу (2)
1) с продолжительностью затвердевания и приведенной толщиной стенок
детали;
2) с величиной пор формовочной смеси
3) с высотою отливки, определяющей напор металла;
4) с активностью металла, определяющей смачиваемость;
5) с созданием условий препятствующих образованию промежуточных
соединений
6) с изменением огнеупорности
7) с увеличением промежуточного соединения
Рассмотрим эти методы более подробно
При изготовлении средних стальных отливок применяют часто смеси,
содержащие кварцевую муку. Высушенные формы крупных отливок окрашивают. В
формах очень крупных отливок, когда невозможно надежно обеспечить
восстановительную атмосферу может оказаться действенным средством создание
окислительной атмосферы на поверхности формы, чтобы увеличить толщину
пригарного слоя и облегчить его удаление с поверхности отливки.
3.2. Сокращение химического пригара
В последнее время наметились следующие основные пути предупреждения
химического пригара: предохранение металла в форме от окисления; создание
между поверхностью отливки и коркой пригара пленки окислов оптимальной
толщины с целью получения легкоотделяемого пригара; применение покрытий и
формовочных материалов повышенной огнеупорности и химически инертных к
металлу и его окислам.
По результатам исследований были разработаны практические рекомендации по
предотвращению пригара на отливках из углеродистой стали[14,13,11].
При изготовлении отливок с толщиной стенки до 10-12 мм целесообразнее
получать малоразвитый пригар стадия а (см. рис. 1), для чего в смесь
необходимо добавлять органические вещества, образующие восстановительные
газы (битум, мазут, каменноугольная пыль и др.), замедляющие окисление
металла и, следовательно, наступление стадии б в строении пригара (см.
рис.1). На отливках со стенками 10-35 мм из-за большого времени воздействия
высокой температуры процесс развивается до стадии трудно отделимого пригара
(см. рис.1б). Органические добавки здесь уже малоэффективны, но покрытия на
основе маршалита, глинозема, циркона, корунда, алюминиевой пудры снова
позволяют получать малоразвитый пригар. Отливки с толщиной стенок свыше 35
мм получаются с легкоотделимым пригаром, так как процессы переходят в
стадию в. Добавки в смесь, создающие восстановительные газы, которые могут
задержать развитие процессов на стадии б, в этом случае вредны.
Нежелательны глины, шпаты, шлаки и т. д., увеличивающие вязкость и
снижающие скорость миграции контактного расплава в форму. При использовании
песчано-глинистых смесей для отливок с толщиной стенки до 20-25 мм из
исходного песка должны быть удалены глина, пыль; в формовочной смеси не
должны быть остатков жидкостекольной смеси, примесей железных руд, шпатов и
других легко спекающихся плавней. Добавка в смесь малозольных веществ
(мазута, раствора битума) дает положительные результаты. Небольшие 0,2-2%
добавки в формовочную смесь Мg2СО3, NaCl и других солей, а также замена
глин бентонитами создают условия для получения; легкоотделимого пригара.
Формы отливок со стенками 25-50 мм рекомендуется покрывать красками или
пастами на основе маршалита, циркона, корунда, так как при таких толщинах
отливок наступает трудноотделимая стадия; пригара б (см. рис.1).
Наружные сферические поверхности отливок со стенкам 50-70 мм получаются с
легкоотделимым пригаром в (см рис.1). Здесь сказываются усадка металла и
прочность формы в горячем состоянии, чему способствует зазор. Увеличит
прочность формы при высокой температуре можно добавкам в исходную смесь
жидкого стекла, железных руд и других плавней. Внутренние поверхности таких
отливок рекомендуется покрывать пастами или облицовками на основе циркона
корунда, хромомагнезита и магнезита.
В формах из песчано-масляных и песчано-смоляных смесей отливки с толщиной
стенки до 15-25 мм получаются с мало развитым пригаром. Песок в этом случае
должен быть очищенным от глин и других плавней, а крепители не должны после
выгорания оставлять много золы. Более толстостенные отливки следует
изготовлять с применением высокоогнеупорных покрытий из маршалита, циркона
(для стенок 30-60 мм) и корунда, хромомагнезита, магнезита (для стенок
толщиной более 60 мм).
При превышении критического напора металла в форме следует применять либо
более мелкозернистые пески, либо специальные мелкозернистые
высокоогнеупорные материалы в виде покрытий и облицовок на формах. Характер
атмосферы в форме после заливки при применении перечисленных
высокоогнеупорных материалов влияет менее заметно, чем при применении
кварцевых песков. С увеличением окислительной способности газов лишь
несколько снижается огнеупорная стойкость противопригарного покрытия,
особенно на основе маршалита и циркона. Меры по устранению пригар сводятся
к подбору вида покрытия в зависимости от толщины стенки. Для форм отливок с
толщиной стенки 20-25 мм достаточно маршалитовых красок. Формы отливок со
стенками 25-50 мм требуют покрытия красками или пастами на основе
глинозема, циркона или корунда.
Формы более толстостенных отливок целесообразно покрывать пастами на
основе корунда, хромомагнезита магнезита[10,1].
3.3. Сокращение пористости
Для уменьшения проникновения металла в форму необходимо сократить размер
пор на ее поверхности. Для этого применяются следующие методы: уменьшается
размер зерновых составляющих, увеличивается уплотняемость формовочных
материалов, на поверхность формы наносятся краски и применяют спекающиеся
формовочные смеси. На основание этих данных проанализируем их.
3.3.1. Уменьшение размеров зерна
Зерновые составляющие изменяют сопротивление проходу пригарного вещества
в глубь формы. Чтобы снизить механический пригар, прежде всего надо
сократить размер пор в поверхностном слое формы. Для этого применяют более
мелкие пески или в крупные и среднезернистые пески вводят мелкие фракции, в
том числе пылевидный кварц[2,3,6,9,10,13].
Средняя величина зерна определяется главным образом требованиями
газопроницаемости. Уменьшение газопроницаемости может быть достигнуто
применением более мелкого песка и добавлением более мелких зерен к более
крупным. Во втором случае можно опасаться увеличения скорости образования
промежуточных пригарных соединений, что увеличивает пригар. При одинаковой
газопроницаемости пригар будет меньше у смеси однородных, но более мелких
зерен, по сравнению со смесью из более крупных и мелких зерен. Однако при
однородном песке увеличивается опасность образования ужимин.
По влиянию количества добавляемых мелких зерен на относительный пригар
можно различать три области (рис.11)[3]: I- количество добавляемых мелких
зерен недостаточно и их влияние неэффективно; II-достигается наибольшая
эффективность при определенном соотношении между крупными и мелкими
зернами; III-ухудшаются технологические свойства главным образом за счет
изменения физико-химических свойств смеси.
Наибольшая эффективность достигается при добавлении в смесь до 25%
кварцевой муки, размер зерен которой не должен превосходить 40% диаметра
крупных зерен. Оптимальное количество добавки мелких зерен и минимальный
пригар зависят от минералогического и химического состава зерен. Наиболее
распространены мелкие зерна кварца (кварцевая мука). Особую осторожность
надо соблюдать при добавлении кварцевой муки к не кварцевым зернам
вследствие увеличения пригара.
Влияние зернового состава на физико-химические свойства формы связано с
изменением величины зерна и их минералогического и химического состава.
Уменьшение размера зерна может быть достигнуто также добавлением
кварцевой муки[2,13]. Результаты опытов по влиянию кварцевой муки на
глубину проникновения пригарного слоя приведены на рис.12
Приведенная на этом рисунке рекомендованная область добавки кварцевой
муки должна рассматриваться как условная, зависящая от зернового строения
смеси и степени дисперсности муки.
В работе изучалось влияние размера зерен песка на глубину проникновения
металла в поры формовочной смеси.
Смесь с песком № 2 являлась стандартной, с результатами испытания которой
сравнивались результаты испытаний других смесей. На Рис.13 видно, что в
форму из смеси с мелкозернистым песком № 1 при различном металлостатическом
давлении сталь не проникает. В форму из смеси с песком № 2 обнаруживается
проникновение при давлении металла 450-650 мм, с песком № 3- при 400-650
мм, а с песком № 4 - уже при давлении 200 мм и выше. Этот опыт показал, что
с повышением размера зерен песка, в связи с увеличением размера пор,
уменьшается давление начала проникновения металла в поры смеси.
На Рис.14 показано влияние добавок кварцевой муки к смеси стандартного
состава. Опыты показали, что при добавке кварцевой муки в количестве 20%
происходит незначительное повышение минимального давления проникновения
металла, глубина же проникновения при этом уменьшается.
Представляют большой практический интерес опыты, проведенные со смесями
приблизительно одинаковой газопроницаемости (около 100 единиц), но
содержащими песок с различной степенью однородности. С этой целью в
однородный песок различной крупности добавлялось определенное количество
кварцевой муки. Результаты этих опытов (рис.15) (показывают, что для
уменьшения пригара предпочтительнее применять мелкий песок с однородными
зернами. Добавки цирконовой муки, вместо кварцевой, как показывает рис.15,
не уменьшают пригара.
Влияние размера зерен песка на образование механического пригара
изучалось и в работе[13] . Смеси составлялись из 90% песка, 10% огнеупорной
глины и 3% (сверх 100) сульфитного щелока. Зерновая часть смесей готовилась
из двух песков (крупного марки К04Б и мелкого марки К016А), вводимых в
смесь в различной пропорции.
Таблица 10
Влияние зернового состава песка на глубину проникновения жидкой стали в
поры формовочной смеси
|Состав песка в |Газопроница|Средняя |
|смеси, % |емость |глубина |
| |форм, ед. |проникновен|
| | |ия стали, |
| | |мм |
|крупный |мелкий | | |
|100 |0 |287 |0, 5 |
|90 |10 |193 |0, 4 |
|80 |20 |167 |0, 3 |
|70 |30 |151 |0, 25 |
|60 |40 |138 |- |
|50 |50 |122 |0, 18 |
|40 |60 |102 |0, 15 |
|30 |70 |93 |0, 12 |
|20 |80 |88 |0, 09 |
|0 |100 |75 |0, 07 |
Форма заливалась сталью 35Л при температуре 1620°С. Результаты опытов
представленные в табл.10, показывают закономерное уменьшение глубины
проникновения стали в форму по мере уменьшения крупности зерен песка.
Приведенные данные еще раз показывают, что одним из эффективных и
доступных средств уменьшения механического пригара является применение
мелкозернистого песка. Чем мельче применяемый песок, тем меньше размер пор
формовочной смеси и тем выше, следовательно, капиллярные силы,
противодействующие проникновению жидкого металла.
В табл.11 указана величина механического пригара на отливках из стали
высоколегированных хромоникелевых толщиной 50 мм в зависимости от размеров
зерен материалов; связующим материалом во всех смесях было жидкое
стекло[5].
Таблица 11
Величина пригара в зависимости от размеров зерен материалов
|Материалы |Глубина проникновения стали в мм при размерах |
| |зерен песка в мм |
| |0,4-0|0,315|0,25-|0,16-|0,10-|0,063|менее|
| |,62 |-0,39|0,30 |0,24 |0,15 |-0,09|0,063|
|Кварцевый |2,2 |2,0 |1,8 |1,5 |1,4 |0,8 |0,0 |
|песок......…… |1,3 |1,3 |1,0 |1,3 |0,6 |0,0 |0,0 |
|Хромомагнезит.......…|2,2 |1,7 |1,8 |1,65 |1,4 |0,6 |0,0 |
|….. |2,9 |2,2 |1,9 |1,5 |0,5 |0,5 |0,0 |
|Магнезит..........………|1,8 |1,7 |1,3 |0,9 |0,6 |0,3 |0,0 |
|…. |1,6 |1,0 |0,9 |0,7 |0,8 |0,2 |- |
|Шамот..........…………….|- |- |- |- |0,4 |0,2 |- |
|. |- |- |- |0,0 |0,0 |0,0 |- |
|Кианит...........…………| | | | | | | |
|… | | | | | | | |
|Оливин...........…………| | | | | | | |
|… | | | | | | | |
|Корунд | | | | | | | |
|белый........……... | | | | | | | |
|Рутиловый концентрат…| | | | | | | |
Как видно, пригар существенно уменьшается с уменьшением размеров зерен, а
конечная глубина проникновения металла сокращается быстрее у материалов с
повышенными теплоизоляционными свойствами. Так, при уменьшении зерен с 0,4
- 0,62 до 0,063 - 0,09 мм глубина проникновения стали в кварцевый песок
сократилась в 2,75 раза, в шамот - в 5,8 , в кианит - в 6 раз.
Величина пригара на хромомагнезитовой смеси при изменении размеров зерен
с 0,4 - 0,62 до 0,16 - 0,24 мм не изменилась, и только после уменьшения
зернистости до 0,10 - 0,15 она резко сократилась.
При размерах зерен менее 0,06 мм для большинства смесей пригар
отсутствовал, для хромомагнезитовых смесей он был исключен при размере
зерен 0,063 - 0,09 мм, а для рутиловых - при 0,16 - 0,24 мм.
Хромомагнезитовые смеси характеризуются весьма рассосредоточенным
зерновым составом; молотый хромомагнезит, как правило, содержит 20-30%
фракции (-005), поэтому поры в смеси чрезвычайно малы, что приводит к
отсутствию пригара на отливках. Укладка зерен песка в смеси близка к
кубической, и радиус поры составляет 0,31 - 0,41 радиуса зерна. Приняв это
и учитывая только величину зерна песка, можно для данных сплава и
формовочного материала при определенных величинах поверхностного натяжения
и смачивания рассчитать капиллярное противодавление, возникающее в смеси
при проникновении металла, что позволяет установить критическую величину
металлостатического напора.
На рис.16 в качестве примера приведена расчетная диаграмма для сталей,
обладающих плотностью 7,2 и поверхностным натяжением 1300 эрг/см2,
позволяющая определить необходимую степень помола противопригарного
материала при заданных степени смачивания и высоте отливки. Так, например,
по данным поверхностное натяжение стали Х18Н9ТЛ равно примерно 1300
эрг/см2; краевые углы смачивания окиси алюминия обезжелезенного циркона и
магнезита составляют 124, 122 и 114°; при высоте отливки 1, 5 м пригара не
будет при использовании этих материалов лишь с достаточно малыми размерами
зерен (0,073;0,069 и 0,054 мм). Эти расчетные данные достаточно близки к
экспериментальным (табл. 11)[5].
Аналогичные диаграммы можно составить для любой стали. На рис.17 показана
поверхность опытных отливок толщиной 60 мм из стали Х15Н25В5ТЮ2, полученных
в формах из корундовых песков одинакового химического, но различного
гранулометрического состава. Для отливки а использовали смесь фракций 0,16
и 0,1 корундового песка (33% и 66% соответственно), для отливки б смесь
фракций 0,063-0,05-(-005) в количестве 51-27-21% соответственно. Форма для
отливки в была покрыта слоем краски из мелкодисперсного корунда (более 95%
фракции -005).Как видно, с уменьшением зерен корунда до 0,063 мм и менее
пригар полностью исчез.
Уменьшение величины зерен песка увеличивает поверхность соприкосновения
пригарного вещества с поверхностью формы и, следовательно, опасность
появления пригара, однако в этом случае возможно и уменьшение опасности
образования пригара из-за уменьшения глубины проникновения пригарного
образования в форму.
Таким образом, исследования показали, что при наличии высокого
металлостатического давления одним из эффективных средств уменьшения
пригара является применение мелкозернистого песка, имеющего низкую
газопроницаемость.
Исключить образование механического пригара на стальных отливках можно,
только используя весьма мелкие формовочные материалы. Естественно, что
материалы с таким зерновым составом пригодны лишь для красок и паст.
3.3.2. Повышение степени уплотнения формы
Уменьшение размеров пор происходит не только при уменьшении размеров
зерна, но и при увеличении уплотнения смеси. Это подтверждается
результатами опытов, приведенных в табл.12[2]сталь заливалась при
температуре 1680?С.
Таблица 12
Влияние уплотнения на глубину проникновения пригарного слоя в форму
|Количест|Песок крупный К063Б (0,31) |Песок мелкий К016А (0,08) |
|во | | |
|ударов | | |
|бабы | | |
|копра | | |
| |Глубина в |Твердость в |Глубина в |Твердость в |
| |мм |единицах |мм |единицах |
|1 |0,46 |44,0 |0,24 |58,5 |
|2 |0,44 |66,9 |0,26 |66,8 |
|3 |0,39 |70,0
|
