» » Условия проникновения газов из формы в металл
26.12.2014

В совокупности явлений, приводящих к образованию газовых раковин в отливках по вине материала форм, решающим является процесс проникновения газа в металл в виде отдельных пузырьков.
Условие, при котором создается возможность внедрения газовых пузырьков в отливку, определяется выражением
Условия проникновения газов из формы в металл

где: рф — избыточное давление газов в порах формовочного материала; рм —металлостатический напор; рп — давление, развиваемое пузырьком газа при преодолении сопротивления поверхностных сил жидкого металла; Рпф —избыточное давление газов над зеркалом металла в форме.
Естественными зародышами газовых пузырьков являются поры в формовочном материале. При достижении критического газового давления в устье поры образуется местный газовый бугорок (рис. 1, о), который по мере роста объединяется с подобными же бугорками над соседними порами, образуя один общий купол (рис. 1, б), который в дальнейшем начинает вытягиваться вверх (рис. 1, в), в сторону меньшего металлостатического напора. В некоторый момент времени начинается сужение основания пузырька, который приобретает грушевидную форму (рис. 1, г). В дальнейшем, в результате сужения "шейки" верхняя часть пузырьков отрывается и всплывает в жидком металле (рис. 1, д); нижняя остаточная часть пузырька образует новый купол, и процесс повторяется до тех пор, пока на рассматриваемом участке поверхности формы или стержня соблюдается неравенство (1).
Условия проникновения газов из формы в металл

При достижении определенной частоты отрыва следующие друг за другом пузырьки сливаются вместе и образуют впоследствии сквозную газовую раковину —свищ.
Внедрившиеся в жидкий металл газовые пузырьки не всегда приводят к образованию газовых раковин, так как при некоторых условиях они будут всплывать и удаляться из жидкого металла.
С газовыми раковинами от форм и стержней борются технологическими мероприятиями, при которых на любом участке поверхности контакта металла с формой давление рф меньше суммы рм + рп + рпф.
Избыточное давление газов над зеркалом металла в форме рпф создается за счет образования газов на поверхности форм и стержней.
Для форм с нормальным отводом газов через выпоры давление рпф мало и не превышает даже для сырых форм 3 г/см2.
При определении расчетной величины металлостатического давления рм необходимо учитывать динамику заполнения формы металлом, так как форма заполняется металлом не мгновенно, а в некотором интервале времени, что существенным образом влияет на величину и время появления первого максимума газового давления и величину напора металла в процессе заливки.
В процессе заполнения рельефных форм металлом фильтрация газов разбивается на два периода. В начальный период направление фильтрации газов непрерывно изменяется в соответствии с уменьшением открытой поверхности форм и стержней; в этот момент газы от поверхности контакта фильтруются через толщу формовочной смеси и через открытую поверхность. Во втором периоде, когда вся поверхность формы или стержня покрывается металлом, направление газового потока принимает стабильный характер. В соответствии с изменением направления фильтрации газов изменяется и газовое давление на поверхности раздела металл —форма. Максимальной длине пути фильтрации газа соответствует наибольшее газовое давление.
Важным следствием того, что форма заполняется металлом не мгновенно, а в течение определенного времени, является несовпадение во времени действия максимумов давления рф и напора металла.
Момент появления первого максимума газового давления тм в стержне для случая мгновенной заливки определяется выражением
Условия проникновения газов из формы в металл

Здесь с — коэффициент, равный примерно 0,0005 см2/г; V — объем пор в стержне, см3; M — пропускная способность стержня, равная
Условия проникновения газов из формы в металл

где К — газопроницаемость смеси см4/г*мин; Fnp —приведенное сечение газового потока в стержне, см2; l — длина пути фильтрации газа в стержне, CM.
В таблице приведены результаты подсчета тм для стержней из пуль-вербакелитовой смеси с различными фильтрационными и геометрическими характеристиками.
Расчеты и экспериментальные исследования показывают, что первый максимум газового давления наступает спустя десятые и сотые доли секунды после установления контакта с металлом и появления стабильного направления фильтрации газов. Давление же металла повышается постепенно от нулевого значения в начале установления контакта металла с поверхностью формы или стержня до своего максимума в конце заливки.
Условия проникновения газов из формы в металл

Несовпадение действия максимумов давления рф и рм приводит к тому, что наибольшая опасность проникновения пузырьков газа в жидкий металл возникает в начальный момент заливки, когда газовому давлению противостоят в полную меру лишь величина поверхностного сопротивления рп (для чугуна ~ 12—40 г/см2), избыточное давление рпф (1—3 г/см2) и очень небольшое давление металла, соответствующее слою 1—3 мм (до 2 г/см2).
Условия проникновения газов из формы в металл

На рис. 2 представлена схема формирования величин, входящих в выражение (1) относительно точек А (формы) и В (стержня).
При заполнении нижних горизонтальных частей формы величины рп, Рф, Рпф и рм появляются практически одновременно с началом заливки металла, причем рп и рф — скачкообразно, а остальные постепенно. Для точки В (рис. 2, б) в начале заливки формы возникает лишь давление рпф и очень незначительное давление рф. Лишь в момент перекрытия верхней поверхности стержня скачкообразно возникают рп и Рф и начинает медленно повышаться напор металла.
Поскольку сумма величин рп и рпф имеет ограниченное значение (для чугуна максимально до 40—45 г/см2), а величина газового давления Рф, как установлено экспериментально, может достигать в стержнях значений 200—300 г/см2, при определенных условиях может произойти нарушение направленности газового потока, что отмечено на рис. 2 заштрихованными областями. Время, в течение которого газовые пузырьки будут внедряться в отливку, равно отрезкам т"—т'; оно зависит от многих факторов, главными из которых являются величина давления рф, скорость возрастания напора металла и скорость охлаждения металла после заливки; последний фактор определяет величину давления рп.
Таким образом, в начальный период заливки, когда высота слоя металла над рассматриваемой поверхностью формы или стержня составляет несколько миллиметров, условие, при котором не будет происходить проникновение газовых пузырьков в жидкий чугун, выражается
Условия проникновения газов из формы в металл

где меньшие значения относятся к металлу с высокой температурой, а большие — с низкой.
Для практических расчетов, принимая необходимый поправочный коэффициент на неточность определения величины р", критическая величина газового давления, при котором исключается внедрение газовых пузырьков с поверхности раздела металл — форма в жидкий чугун, может быть принята
Условия проникновения газов из формы в металл

Нарушение направленности газового потока может выразиться и в другой форме взаимодействия газов с металлом, при которой не происходит внедрения отдельных, следующих друг за другом пузырьков.
В этом случае на значительной площади границы раздела металл — форма выделяющиеся из формовочного материала газы образуют прослойку, которая оказывает давление на жидкий металл и оттесняет его от поверхности стержня. Газовая прослойка имеет такой большой радиус, что величина рп практически не оказывает заметного влияния на процесс взаимодействия газа с металлом, и в этом случае условие нарушения направленности газового потока для высоты слоя металла 2—3 мм (начальный период заливки) будет соответствовать выражению
Условия проникновения газов из формы в металл

Условие (5) нарушения направленности газового потока является более неблагоприятным по сравнению с условием (4).
Практика показывает, что в подавляющем большинстве случаев нарушение направленности газового потока происходит в результате внедрения в жидкий металл отдельных, следующих друг за другом пузырьков газа, т. е. по условию (4).
От скорости подъема уровня металла в форме зависит не только величина напора металла и время появления первого максимума давления, но и величина последнего. На рис. 3 представлены результаты замеров газового давления в точках А и В формы, изготовленной из глинистой формовочной смеси с 4,0% воды.
Болван имеет высоту 50 мм и диаметр 80 мм. Время заполнения формы до уровня точки В болвана составляло 5 сек (кривые А2 и В2) и 12 сек (кривые A1 и B1). Пунктиром условно нанесены кривые газового давления для теоретического случая мгновенной заливки формы, а сплошные линии изображают фактическое газовое давление. Повышение скорости заливки не только сокращает время до появления первого максимума газового давления, но и повышает саму величину давления.
Условия проникновения газов из формы в металл

Тот факт, что режим заливки не оказывает значительного влияния на газовый режим формы, а величина газового давления в формах, как правило, не превышает критического значения, позволяет сделать следующий вывод: образование газовых раковин в отливках по вине газа, выделяющегося из формовочного материала, может происходить лишь в результате нарушения направленности газового потока в стержнях и приравненных к ним участках форм (выступающие части). Формы могут быть источником образования газовых раковин лишь в случаях грубых нарушений технологического процесса.
На рис. 4 представлено сравнение первых максимумов газового давления в сыром стержне и сырой форме, изготовленных из одной и той же смеси. Давление газов в стержне выступающей части формы замерялось в точке В (рис. 2, б), удаленной от отливки на расстояние 6—8 мм, а газовое давление в форме — на цилиндрической поверхности в центре на расстоянии также 6—8 мм от отливки. Формы заливались чугуном в одних и тех же условиях.
Давление газов в стержне оказалось в 15—18 раз выше, чем в форме. Во всех случаях отливки имели газовые раковины от стержня, а от формы раковин не наблюдалось.
Экспериментальными исследованиями установлено, что медленное погружение стержня в металл значительно сокращает газовое давление, поэтому можно считать желательным дифференцированный режим заливки формы, при котором устанавливается минимальная скорость подъема зеркала металла на уровнях расположения стержня, а затем скорость заливки должна быть резко увеличена, с тем, чтобы как можно быстрее увеличить напор металла над стержнем.
В производственных условиях трудно придерживаться подобных режимов заливки даже для форм с одноярусным расположением стержней, не говоря уже о формах, в которых стержни расположены на различных уровнях; однако во всех случаях повышение скорости поступления металла в форму в конце заливки возможно, и это будет влиять положительно на газовый режим литейной формы.
Условия проникновения газов из формы в металл

При наличии вскипа появление газовых раковин в затвердевших отливках зависит от того, сумеют ли удалиться из пределов отливки до ее затвердевания внедрившиеся газовые пузырьки. В этом отношении играют роль многие факторы: вязкость жидкого металла и скорость возрастания ее во времени, скорость и направление потоков жидкого металла в форме, скорость остывания отливки и образование затвердевших частей отливки на пути удаления газовых пузырьков, расположение питателей, наличие в форме прибылей, выпоров и устройств для перепуска металла и др. В связи с тем, что решающее значение имеет вязкость металла, которая снижается в процессе заливки и после нее более резко, чем температура, появление или отсутствие газовых раковин в отливке будет определяться в основном температурой заливки сплава и длительностью вскипа стержня.
Влияние газового давления на продолжительность вскипа представлено рис. 5. Длительность вскипа при постоянной сумме рм + рп + Pпф увеличивается с повышением газового давления. Для кривой давления рф, лежащей ниже суммарной кривой ры + Pn + рпф, вскип не наступает. Для кривой рф длительность вскипа равна отрезку времени т"—т'. Кривая рф дает вскип, который будет продолжаться до появления второго максимума давления и, вероятно, до момента затвердевания отливки.
Условия проникновения газов из формы в металл

Длительность вскипа оказывает существенное влияние на размеры, форму и расположение газовых раковин в отливке. Установлено, что во всех случаях раковины располагаются выше источника газообразования. При кратковременном вскипе образуются более мелкие раковины с блестящей поверхностью. При длительном вскипе наряду с мелкими, разбросанными по всему сечению отливки встречаются крупные бесформенные раковины, образующиеся, очевидно, в результате слияния нескольких более мелких раковин.
Размеры формы и расположение газовых раковин в отливке в известной мере могут указывать на источник газообразования и характер вскипа; при кратковременном вскипе стержня бывает достаточно провести незначительные мероприятия, чтобы ликвидировать брак по газовым раковинам (нанесение накола, тщательная просушка и т. п.).
Длительный вскип стержня, если он не вызван попаданием металла под знак, требует проведения более серьезных мероприятий: корректировку состава смеси или изменение конструкции стержня, изменение расположения детали при заливке и т. п.
Изучение газового давления позволяет получить ценные данные о характере газового режима в стержнях, поэтому манометрический контроль стержней может быть очень действенным средством проведения тщательной отработки новых технологических процессов изготовления отливок, освоения новой номенклатуры изделий, новых связующих материалов и смесей, а также при разработке мероприятий по борьбе с газовыми раковинами в текущем производстве.
Для определения газового давления в стержнях могут быть использованы сильфонные манометры типа МС-610, специальные тензометрические датчики, работающие в паре с осциллографом и водяные манометры; последние хотя и не фиксируют момента внедрения пузырьков газа в жидкий металл, однако являются пригодными для проведения предварительных замеров.