Анализ методов оценки сцепления пригара на стальном литье

p>3.4. Метод количественной оценки пригара предложенный Челябин ским Политехническим Институтом

Работая над улучшением чистоты поверхности отливок из углеродистой стали, заметили, что между коркой пригара и металлом имеется больший или меньший зазор. Сначала его образование объяснили усадкой, но такой же зазор был и с внутренней стороны, где стержни или части формы остывающей отливкой сжимались. Установили, что прочность связи корки пригара с поверхностью отливки определяется относительной площадью зазора, т. е. вычисленной по отношению к общей площади соприкосновения формы с отливкой.

Условия образования зазора исследовали специально. В образец 2 исследуемой смеси диаметром 2 и длиной 4 мм заформовывали стержень 1 диаметром 0, 62 мм и длиной 3 мм из углеродистой стали (рис. 1). Его помещали в герметичную печь 5 (рис.7) с платиновым нагревателем, высокотемпературным микроскопом 7 МВТ, микрофотонасадкой 8 МФ-2 и системой регулирования и контроля температуры, опытных образцов 4 (рис.7: 1 — стабилизатор напряжения СТ-200;2 — ЛАТР-2; 3 — УТН-1: 6 — вольтметр: 9 — опак-иллюминатор). До заданной температуры до 1400°С в различной атмосфере печи образцы нагревались платиновой спиралью 3(см. рис.6) через 3 сек после включения тока. Исследовали образцы песчано-глинистых, песчано-масляных, жидкостекольных смесей и смесей огнеупорных материалов — циркона, корунда, глинозема, магнезита и др. Параллельно исследовали пригар на плитах
185Х110Х35 мм и втулках с наружным 190 и внутренним диаметром 120 мм, высотой 140 мм, а также на стальных производственных отливках.

При нагреве до 1400°С в воздухе или техническом азоте металлические стержни сразу же покрывались пленкой жидких окислов металла, которые, взаимодействуя со смесью, образовывали окисный расплав, проникавший в поры смеси па различную глубину и с различной скоростью. В зависимости от степени поглощения расплава между отливкой и формой и образовывался зазор величины, различной по площади сечения (рис8: белые пятна — зерна кварца; серое — стальной стержень, темное — зазор).
Установлено, что в жидкостекольных смесях зазор появляется через 30—50 сек, на песчано-глинистых — через 1, 2—2 мин, а на песчано-масляных — через 2, 5 мин после начала высокотемпературной выдержки, что объясняется различием в количестве и вязкости образующихся силикатных расплавов. По тем же причинам зазор между стальным образцом и цирконовой, с 5% бентонита, формой появлялся лишь через 5 мин, а в корундовой и магнезитовой не образовался и через 10 мин. Атмосфера в печи заметно влияла на величину и скорость образования зазора: в пропан-бутане смесь с металлом стержня не взаимодействовала и зазор не появлялся даже через 10 мин., а в техническом азоте и воздухе скорость его образования резко возрастала.

Степень окисления оценивали по остаточному диаметру металлического стержня. На рис. 4 представлен график его уменьшения в смеси 90% кварцевого песка К016 и 10% жидкого стекла с выдержкой при 1400°С на воздухе 1 и в техническом азоте 2. Изменение угла наклона кривых при 5 сек объясняется уменьшением скорости окисления в результате появления силикатного расплава, затрудняющего доступ кислорода к металлу.

В этих же атмосферах определили скорости миграции силикатных расплавов из контактной зоны в норы смеси на воздухе 1 и в азоте 2. Повышенная скорость миграции в первые 10 сек связана с механическим внедрением в смесь жидких окислов железа из-за увеличения объема стального образца при окислении.
Отмеченные данные подтвердили анализ шлифов граничных слоев плит, втулок и производственных отливок. Если сталь в поры формы не проникала, то корка пригара соединялась с отливкой застывшим железисто-силикатным расплавом как мостиками. Корка пригара на глубину до 15 мм пропитана темными силикатами с повышенным содержанием окислов железа. Ее поверхность со стороны отливки, где был зазор, глянцевая, а в местах контакта с отливкой — матовая или цвета излома железистого силиката. Средняя относительная площадь контакта корки пригара с отливкой (суммарное сечение мостиков, отнесенное к общей площади корки) для легкоотделимого пригара жидкостекольных смесей по результатам замеров с микрометрической сеткой на
100 пригарных корках составляла 1—15%. При тех же условиях замеров для трудноотделимого пригара она составляла более 40%. При этом зазор по сечению был примерно в 2 раза меньше, чем в граничном слое корки легкоотделимого пригара.

Таким образом, указанные величины, при прочих равных условиях, могут количественно характеризовать прочность связи пригара с отливкой.
Установлено, что отделение корок пригара с одинаковой контактной площадью, но различных по составу исходной смеси или полученных при разных скоростях охлаждения отливок требует разных усилий: корки пригара, удерживаемые мостиками из закристаллизованного вещества, отделяются легче, чем связанные с отливкой стекловидным веществом.

Механизм образования химического пригара представляется следующим образом.

После заливки формы поверхность отливки 1 покрывается слоем 2 окислов и силикатов железа (рис. 6, а: 3 — зерна кварца, 4 — пленка крепителя).
Скорость окисления стали в первый момент после затвердевания отливки 5
(рис.10, б) при наличии в порах формы большого количества свободного кислорода велика (рис.10) [14], образующийся окисный расплав накапливается в граничной поверхности, увеличивая относительную площадь контакта отливки и формы. Часть расплава проникает в глубь формы между зернами песка, образуя и связывая корку пригара с отливкой (см. рис.10, б). В дальнейшем окисление поверхности отливки резко замедляется вследствие уменьшения окислительной способности газов в форме и снижения температуры металла, скорость образования нового окисного расплава на граничной поверхности становится меньше скорости его миграции в глубь формовочной смеси, и между отливкой и формой или стержнем возникает зазор (см. рис.10, б). При этом относительная площадь контакта металла с формой уменьшается. Ширина зазора слагается из толщины окисленного слоя металла и величины растворенного окислами по-

верхностного слоя формы. Строение корки пригара в стадии в всегда соответствует легкоотделимому пригару.

3.5. Метод оценки пригара по прочности сцепления

Влияние усадки отливки на формирование пригара проявляется в том, что при отходе металла от формы, если последняя не разрушается, ширина и площадь зазора увеличивается, а при сжатии формы или стержня — наоборот (см. рис.10). Этим пригар на наружных поверхностях отливок отличается от пригара на внутренних при использовании одинаковых смесей. При механическом проникновении стали в поры формы стадия в наступает лишь после полного окисления просеченной части металла и миграции ее в виде окисного железистого расплава в глубь формы. Практически это происходит при очень длительном температурном воздействии отливки на форму в условиях окислительной атмосферы
Установлено также, что пригар различных смесей формируется по приведенной схеме с характерными для каждой смеси особенностями. Например, температура плавления и вязкость силикатного расплава .—FeO, образующегося при использовании жидкостекольных смесей, относительно низкие, что и объясняет его повышенную скорость миграции в глубь формы или стержня. Различия свойств образующихся окисных расплавов и обусловливают различное время температурного воздействия для наступления той или иной стадии строения корки пригара при прочих равных условиях. Следовательно, при постоянной температуре заливки наступление той или иной стадии строения пригарной корки зависит в основном от толщины стенки отливки, применяемой формовочной смеси и характера атмосферы в форме.

По результатам исследований были разработаны практические рекомендации по предотвращению пригара на отливках из углеродистой стали.
При статическом напоре металла в форме из смеси на Кичигинском песке
1К0315А, не превышающем Нкр для данной смеси [2], химический пригар предотвращают так. При изготовлении отливок с толщиной стенки до 10—12 мм целесообразнее получать малоразвитый пригар (стадия, а на рис.10), 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.10). На отливках со стенками 10—35 мм из-за большого времени воздействия высокой температуры процесс развивается до стадии трудно отделимого пригара (см. рис.10, б). 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. Окислительная атмосфера в форме или стержне при охлаждении отливки является положительным фактором, так как ускоряет все процессы, увеличивающие толщину и площадь зазора. Последнее подтверждено производственным применением кислорода для получения отливок с чистой поверхностью.
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) положительные результаты.
Небольшие 0, 2—2% добавки в формовочную смесь Мg2СОз, NaCI и других солей, а также замена глин бентонитами создают условия для получения; легкоотделимого пригара. Формы и стержни отливок со стенками 25—50 мм рекомендуется покрывать красками или па стали на основе маршалита, циркона, корунда, так как при таких толщинах отливок наступает трудноотделимая стадия; пригара б (см. рис.10). Наружные сферические поверхности отливок со стенкам 50—70 мм получаются с легкоотделимым пригаром в (см рис.10). 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 виде покрытий и облицовок на формах и стержнях.
Характер атмосферы в форме после заливки при применении пере численных 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 и стержней отливок с толщиной стенки 20—25 мм достаточно маршалитовых красок.
Формы и стержни отливок со стенками 25—50 мм требуют покрытия красками или пастами на основе глинозема, циркона или корунда.

Формы и стержни более толстостенных отливок целесообразно покрывать пастами на основе корунда, хромомагнезита магнезита. Данные рекомендации были проверены в условия Челябинского завода «Строммашина» и дали положительные результаты.

С другой стороны, если пригар легко удаляется при проведении какой-либо операции, предусмотренной общим технологическим процессом изготовления отливок (термообработка, дробеструйная очистка и. т. п.), можно допускать на отливках образование пригара определенной величины.

Поэтому естественно стремление литейщиков классифицировать пригар по прочности сцепления с отливкой и дать количественную оценку величины пригара.

Ни одна классификация, если она не связана с физическими характеристиками, конечно, не может охватить все случаи пригара, встречающиеся на практике, особенно, если учесть новые методы очистки отливок (например, пламенем газовых горелок, электрохимическим методом и т. д.).

Говорить о прочности сцепления механического пригара с отливкой нет смысла, так как в этом случае трудность удаления пригара определяется прочностью самого металла и частотой струек, проникших в форму, на единицу площади. Поэтому в дальнейшем целесообразно говорить о прочности сцепления либо полностью окисленного механического пригара, либо чисто химического пригара. Последний случай часто встречается при использовании жидкостекольных форм для чугунного и высоколегированного литья.

Прочность связи двух разнородных фаз (в нашем случае металла и пригарного вещества) при нормальной температуре определяется несколькими факторами.

При охлаждении из-за разной природы, следовательно, различных термических коэффициентов линейного сжатия на границе раздела металл—пригарное вещество возникают напряжения, могущие при некоторых условиях привести к самопроизвольному отделению пригара от отливки. Очевидно, по сопоставлению коэффициентов расширения и сжатия металла и пригарного вещества можно судить о большей или меньшей вероятности получения легкоотделимого пригара.

Отделяемость пригара будет зависеть также от прочности и пластичности пригарного вещества и от прочности связи пригара с металлом, определяемой поверхностными силами на границе раздела фаз (величиной работы адгезии).
Первые две характеристики прочность и пластичность пригара могут быть найдены обычными методами. Основная трудность при этом (так же, как и при дилатометрических испытаниях) состоит в получении образца пригарного вещества необходимых формы и размеров.

Максимальная прочность сцепления будет наблюдаться в случае, когда коэффициенты линейного сжатия металла и пригарного вещества равны. Тогда на границе раздела не возникают напряжения, и работа, необходимая для отрыва пригара от отливки, будет соответствовать работе адгезии. Хотя такого соответствия коэффициентов усадки на практике не встречается, с определенными допущениями работа адгезии может быть характеристикой прочности сцепления пригара с металлом. Например, при изменении содержания какого-либо компонента можно с достаточной обоснованностью пренебречь изменением коэффициента усадки металла; тогда адгезия одного и того же пригарного вещества может быть достаточно наглядной характеристикой сил сцепления.

Работа адгезии, отнесенная к единице площади контактной поверхности, для случая контакта твердой и жидкой фаз (формовочный материал и жидкий металл или твердый металл и жидкое пригарное вещество) может быть выражена уравнением

А = ? ж(1 + cos ?)

(3.3) где ?ж— поверхностное натяжение жидкой фазы
? — краевой угол смачивания жидкостью твердого тела.

Из этого уравнения следует, что чем выше поверхностное натяжение жидкости и cos ?, тем прочнее связь между обеими фазами.

Таким образом, для определения адгезии достаточно найти поверхностное натяжение и краевой угол смачивания. Правда, в этом случае будет получена величина адгезии жидкости и твердого тела, тогда как нас интересует адгезия между двумя твердыми фазами (затвердевший химический пригар и твердый металл). Однако известно, что поверхностные энергии твердой и жидкой фаз одного вещества не очень отличаются. Поэтому полученные по уравнению величины адгезии могут быть с достаточной степенью точности применимы для оценки сил сцепления двух твердых фаз. Вопросу определения поверхностного натяжения расплавов посвящено значительное число исследований.
Рис.12. Работа адгезии расплава силиката натрия к твердым металла в зависимости от содержания углерода в сплавах Fe—C
На рис. 12 приведена зависимость работы адгезии расплава силиката натрия при 1000° С к твердым железоуглеродистым сплавам от содержания угле рода в последних, полученная на описанной выше установке . При уменьшении содержания в металле углерода до 2%адгезия силикатного расплава скачкообразно проведенная экспериментальная проверка на технологических пробах, имеющих форму ступенчатой плиты, подтвердила, что при уменьшении углерода в сплаве Fe—С до 2% можно получить чистые, без пригара отливки в жидкостекольных формах, не окрашиваемых противопригарной краской. При этом переход от совершенно чистой отливки к отливке, полностью покрытой пригаром, наблюдался при увеличении содержания углерода с 2,2 до
2,8%, т. е. практически тоже скачкообразно.

Описанный метод требует создания довольно громоздкой установки. Кроме того, в ряде случаев этот метод не позволит уловить различие в трудоемкости удаления пригара разного вида. Например, при одинаковой толщине пригарной корки метод Н. Т. Жарова дает одинаковые значения работы для пригара 5, 6 и
7-го баллов (см. табл.4), и, наоборот, для пригара, отделяющегося пластами
(5-й балл), величина работы будет зависеть от толщины пригарной корки, хотя прочность сцепления пригара с отливкой остается одной и той же.

В качестве одного из таких методов можно предложить метод определения прочности сцепления эмалевого покрытия с металлом, описанный в работе [7].
Измерения могут быть осуществлены при помощи простой приставки к прибору типа ПТЛ (рис.13) для испытания листового металла выдавливанием.

Стальной цилиндр 1 с крышкой 5, между которыми находится резиновая прокладка 4, соединяется с втулкой 7, вставляющейся в обойму 12 прибора ПТЛ
6 со стороны выдавливающего пуансона 11 вместо съемной матрицы. Образе 8 металла с химическим пригаром зажимают между винтом 9 прибора, он изолируется тонкой резиновой прокладкой 10 и резиновой манжетой втулки 7.

Поверхность образца, покрытая пригаром, должна в раствор поваренной соли.
К угольному электроду 3 и к зачищенному уголку быть сторону цилиндра /.
Внутрь цилиндра через трубку 2 наливают 10%-ный раствор поваренной соли. К угольному электроду 3 и к зачищенному уголку образца присоединяют концы электрической цепи, питаемой через трансформатор переменным током напряжением 2,5 в (можно применять и более высокое вторичное напряжение, но не выше 12в). В цепь, включают миллиамперметр. При испытании в образец вдавливают пуансон и измеряют силу тока, проходящего через образец.
Критерием прочности сцепления пригара с металлом может служить величина деформации, при которой сила тока, проходящего через образец, составляет минимальную величину.

Зная толщину слоя пригара и сопротивление внешней цепи, проводников, можно установить суммарную величину площади, которая вследствие определенной деформации оказалась свободной от пригара (площадь отскоков).
Суммарную площадь отскоков 5 рассчитывают по формуле

[pic]

(3.4.)

где р — удельное сопротивление электролита, равное для 10%-ного раствора NaCI 8,26 ом-см; q — толщина слоя пригара в см;
J — сила тока в а;
U — напряжение на клеммах питающего прибора трансформатора в В;
R — сопротивление внешней цепи в ом.

Конечно, это не единственный метод измерения прочности сцепления пригара с металлом, который может быть заимствован из других отраслей. Можно определять прочность сцепления по величине разрушения пригарной корки при ударе металлического шарика соответствующего веса, падающего с некоторой высоты.

Исходя из того, что между слоем пригара и металлом всегда находится слой чистых окислов самого металла и что вероятнее всего отрыв пригара происходит по этому слою окислов, одним из авторов совместно с А. М. Ляссом и А. А. Багровым была предложена методика прямого определения прочности сцепления окисных пленок с металлом. Образцы специальной формы окислялись при заданных температуре и атмосфере в течение необходимого времени и охлаждались. Контрольной торцовой поверхностью образцы приклеивали клеем высокой прочности к захватам разрывной машины. После затвердевания клея производили обычное испытание на разрыв и определяли прочность отрыва пленки (в кгс/см2). Многочисленные эксперименты подтвердили высокую точность, чувствительность и воспроизводимость результатов. В частности, этот метод позволил установить резкое повышение прочности сцепления окисной пленки при увеличении содержания углерода в железо углеродистых сплавах более 2%, т. е. подтвердил ранее обнаруженную зависимость адгезии расплава силиката натрия от содержания углерода.

В дальнейшем указанный метод был усовершенствован, и испытаниям стали подвергать образцы, на которых предварительно получали слой пригара, прочно сцепленного с металлом .

Таким образом, довольно простая методика позволяет быстро проводить прямое определение прочности сцепления пригарного вещества с отливкой.

3.6 Прибор Челябинского Политехнического Института

Прибор, созданный в лабораторий технологии литейных процессов
Челябинского политехнического института, измеряет удельную работу разрушения Ауд корки пригара ударным воздействием бойка долотчатой формы.
Принцип действия прибора основан на том ,что груз 5 скользит по штоку 6, затем достигает упора ,жестко связанного со штоком и бойком 2, боек 2 передает энергию падающего груза на образец 10 ,тем самым отбивая частицу пригара от исследуемого образца .

Зная вес падающего груза и высоту его падения, легко найти работу по удалению корки пригара с поверхности отливки.

Список использованной литературы

1. Берг. П. П. Формовочные материалы. - М.: Машгиз ,1963.- 408с.
2. Валисовский И.В. Пригар на отливках. - М.: Машиностроение,1983.-192с.
3. Васин Ю.П.,Иткис З.Ю. Окислительные смеси в конвейерном производстве стального литья. - Челябинск: Южно-Уральское кн. изд., 1973. - 153с.
4. Н.Т. Жаров .Приспособление для оценки степени пригара на образцах.-Сб.

«Вопросы теории и практики литейного производства». Свердловск.

Машгиз,1956.-231с.
5. Лясс А.М. Быстротвердеющие формовочные смеси. - М.: Машиностроение,

1965. – 332с.
6. Оболенцев Ф. Д. Точность и качество поверхностей отливок.-

М.:Машиностроение,1962.-209с.
7. Получение отливок без пригара в песчаных формах/ С.П. Дорошенко, В.Н.

Дробязко, К.И. Ващенко и др. - М.: Машиностроение, 1978.- 206с.
8. Сварика А.А. Покрытия литейных форм. - М.: Машиностроение,1977.- 216с.
9. Черногоров П.В., Васин Ю.П. Получение отливок с чистой поверхностью. -

Москва- Свердловск : Машгиз , 1961.- 143с.

-----------------------
Рис.13. Приставка для определения прочности сцепления пригара с металлом

Рис.6 Образец из углеродистой стали

Рис.10Механизм образования пригара

Рис. 5. Модель технологической пробы для определения удаляемости пригара

Рис.7 Схема печи с платиновым нагревателем

[pic]

Рис.8. Схема корки пригара

Страницы: 1, 2, 3