Металлопрокат
Металлоконструкции
Обработка металла
Условия образования газовых раковин при контакте металла с поверхностью формы уже многие годы обсуждаются вокруг баланса сил
где Рф — газовое давление на границе раздела металл — форма; Rm — сопротивление проникновению газа в металл, определяющееся статическим давлением металла, давлением газов над металлом и поверхностным натяжением. При этом считается, что если будут созданы условия, при которых Рф
Рост газового давления на границе раздела металл — форма и сопротивления от времени представлен на рис. 1. На этом рисунке видно, что при данном характере изменения сопротивления (кривая 1) расположение кривых изменения газового давления во времени может быть различным. При росте газового давления по кривой а в некоторый момент T1 газовое давление превышает сопротивление, и газ может попадать в металл. Это продолжается до момента т2, когда сопротивление оказывается меньше газового давления. Если к моменту т2 вязкость металла не превысит некоторого критического значения, при котором происходит задержка газа в отливке, то газовые пузыри свободно уходят из металла. Однако такое прохождение газов через металл не всегда безвредно, так как при большом интервале т2—T1 и при водородсодержащих газах металл будет насыщаться водородом, что может привести к образованию пороков уже при охлаждении отливки во время выделения растворенных газов из металла. Если величина газового давления превысит сопротивление в момент Т3, то в этом случае вероятность образования газовых раковин будет больше, чем в моменты т1 и т2 вследствие увеличения вязкости металла. Если же величина газового давления будет всегда оставаться ниже сопротивления (кривая в), то образование газовых раковин вследствие внедрения газов исключается. Однако при этом не исключается образование газовых раковин вследствие выделения растворенных газов из металла. Следовательно, проникновение газов в металл еще не определяет образование газовых пузырей в отливке.
Ряд экспериментов по увеличению сопротивления проникновению газов в металл оказались мало эффективными.
Решение этой задачи возможно двумя путями.
Первый путь — на основе учета факторов, определяющих условия газовыделения существующих смесей создавать газоотвод, обеспечивающий пониженное давление.
Второй путь — создание негазотворного поверхностного слоя или формы в целом, не дающих газового давления и не требующих специальных мер по газоотводу, а следовательно, не имеющих газоотводящих каналов — пор, в которые, кроме того, может попадать и металл.
Уже в настоящее время возможно рассчитывать величину образующегося газового давления в зависимости от газовыделения и газоотвода.
Так, например, исходя из уравнения фильтрации газов и допуская, что металл покрывает форму мгновенно, а газ удаляется только через форму, для расчета газового давления можно использовать формулу вида
где F0 (критерий гомохронности) и D рассчитываются по особым формулам для каждой конфигурации. Например, для плоской стенки:
где В — константа газообразования
В формулах (2)—(4) для определения газового давления, несмотря на ряд упрощающих допущений, видна сложная зависимость от многих переменных.
Однако и при более точной формуле для расчета газового давления невозможно исходить только из условий газообразования и газоотвода. При этом не должна учитываться допустимая величина газового давления, которая зависит от сопротивления, изменяющегося в зависимости от целого ряда переменных. Создавать же газоотвод, при котором в начальный момент газовое давление заранее должно быть меньше 2σ/r, нецелесообразно, так как поверхностный слой будет получен с неоправданно высокой пористостью, что ухудшает качество поверхности.
Предполагается, что газы не растворяются в металле. Фактический состав газовой фазы таков, что выделяющиеся газы в большинстве случаев растворимы в металле и их значение в образовании газовых раковин в отливках велико. Это еще в большей степени усложняет борьбу с газовыми раковинами при решении задачи по первому пути.
При протекании металла через формовочную смесь происходит сильное поглощение водорода, что приводит не только к образованию газовых раковин вследствие понижения растворимости водорода при охлаждении металла, но и к водородному кипу. Содержание водорода в металле по ходу его протекания по каналу показывает, что, с одной стороны, происходит поглощение водорода, а с другой — его уменьшение, вследствие понижения температуры. Для смеси на водных связующих отливки имеют прирост водорода, а для смеси на неводных связующих, и особенно при керамических формах, наблюдается в отливке даже потеря водорода (рис. 2). При применении газотворных связующих (особенно водных) происходит поглощение металлом водорода до количеств, которые могут привести к образованию газовых раковин.
При решении задачи по второму пути, когда газотворность формы стремится к нулю и величина газового давления также стремится к нулю, отпадает надобность в решении задачи по газоотводу.
Потребная толщина негазотворного слоя может быть определена из двух условий: 1) за время прогрева поверхности формы на глубину начала интенсивного газообразования (для воды, например, 100°) должна затвердеть корка металла достаточной толщины, чтобы газ не проник в металл и не мог деформировать затвердевшую корку; 2) за время от окончания тепловой обработки поверхностного слоя формы до начала заливки, влага из газотворного (не просушенного) слоя не могла бы проникнуть в негазотворный слой.
За время образования корки металла толщиной, например, 2 мм, достаточной, чтобы она не деформировалась, форма прогревается всего на несколько миллиметров. Этот слой и должен быть негазотворным. Известно, что смеси приобретают негазотворность после прокаливания до температур 600—900°. Это можно достигнуть при обработке поверхностного слоя горелками с прогревом на малую величину. Однако такой поверхностный слой быстро вновь поглощает влагу, поступающую из глубинных слоев.
Для того чтобы этого не произошло, необходима либо тепловая обработка на дополнительную толщину (в соответствии со вторым требованием), либо необходимо создавать гидрофобные прослойки, препятствующие диффузии влаги из глубинных слоев к периферийным.
Расчет необходимой толщины дополнительно прокаливаемого (просушиваемого) слоя может быть осуществлен на основе закона Фика, позволяющего определить распространение влаги в стенке формы, если известна ; начальная влажность и влажность на поверхности раздела газотворный— негазотворный слой. При решении задачи, например для почвенных форм, принимаем, что между высушенным слоем и влажным имеется перепад влажности. Сырой слой имеет первоначальную влажность W0, влажность высушенного слоя Wc=0. Кроме того, принимаем, что толщина сырой части формы бесконечно велика по сравнению с толщиной высушенной части. Для этих условий решение уравнения Фика может быть представлено в виде интеграла ошибок Гаусса. Обозначив через W0 влажность сырой части формы, Wc — влажность высушенной части формы и а — глубину наименьшего необходимого слоя, на границе которого влажность не должна превышать определенного минимума Wд, получаем
где G(у) — интеграл ошибок Гаусса; у = х/2√Dт (х — толщина дополнительно дегазированного слоя, мм; D — коэффициент диффузии, м2/час; т — время, час).
Так как Wc может быть принята равной нулю, то
Отыскав по таблицам значение у по G(y), находим х = 2y√Dт.
При расчете х должны быть определены коэффициенты диффузии влаги для формовочных материалов. Исследование показывает, что коэффициент диффузии для песчано-глинистых смесей равен 2,6*10в-4 м/час. Использовав эти данные, можно определить достаточную глубину просушиваемого слоя, а именно: если принять Wд = 0,5; W0 = 10%, то G(y) = (10—0,5)/10 = 0,95.
По таблицам находим для этого значения G(у) величину у. После чего определяется значение х. Например, если принять время от окончания сушки до начала заливки 5 час и D = 2,6*10в-4 м2/час, то получим слой
который, как видно, в 20—25 раз больше слоя, прогревающегося за время образования корки металла необходимой толщины. При наличии «барьеров», препятствующих перемещению влаги из глубинных слоев к периферийным, возможно создать негазотворный слой, гарантирующий отсутствие газовых пороков и лучшее качество поверхности отливок. При почвенных формах такого рода «барьерами» являются «постели», металлические плиты. При обычных формах могут быть прослойки из гидрофобных материалов. В том случае, если форма изготовляется полностью негазотворной, что достигается за счет тепловой обработки, то надобность в гидрофобных прослойках отпадает.
При применении негазотворных форм, хотя и не происходит газообразования, в некоторых случаях может возникнуть воздушное давление, которое приводит к проникновению воздуха в металл и к образованию газовых раковин в виде поверхностных вмятин, а иногда и в виде глубоких раковин.
На рис. 3 показано строение стенки формы по выплавляемым моделям (а) и по процессу ГПСМО (б).
Как известно, при изготовлении форм по выплавляемым моделям стенка формы состоит из нескольких слоев огнеупорного покрытия зерен мар-шалита 1, которые окружены силикогелем 2, и присыпки 3, внедренной в огнеупорное покрытие. Между этими составляющими имеются пустоты открытого 4 и закрытого 5 типа. После прокаливания силикогель обезвоживается, прослойка кремневой кислоты растрескивается и соединяет между собой пустоты открытого и закрытого типа. Такая оболочка обладает определенной воздухопроницаемостью. Воздухопроницаемость зависит от величины и расположения этих трещин, которые, в свою очередь, определяются распределением силикогеля. При равномерном его распределении сеткатрещин ровная и тонкая, а при неравномерном — в силикогеле могут образоваться толстые трещины. Стенки формы, изготовленные по процессу ГСПМО, имеют открытые, закрытые и сквозные поры. При контакте металла с поверхностью негазотворной формы происходит прогрев ее и расширение воздуха в соответствии с температурным полем стенки. Из-за пор в стенке формы и градиента давлений происходит фильтрация воздуха. При этом на условия фильтрации оказывает влияние вязкость воздуха и пористость стенки формы. При тупиковых порах расширяющийся воздух может попадать только в металл.
Для создания направленного газового потока от отливки наружу решающее значение имеет не абсолютная величина проницаемости, а определенное. соотношение в проницаемостях по толщине формы. Это обеспечивается в обычных формах наколами, а в формах по выплавляемым моделям — изготовлением второго и третьего слоя из материала с большим размером зерен.
Наблюдения показывают, что в негазотворных формах в отличие от газотворных образование воздушных пузырей происходит сравнительно медленно и в недрение воздуха начинается часто тогда, когда уже образуется корка металла. Наружные вмятины газового происхождения наблюдаются как при изготовлении форм по выплавляемым моделям, так и при изготовлении форм по ГПСМО-процессу, особенно если при неправильном прессовании этих форм наблюдаются воздушные полости в стенках формы.
При наличии пор в стенках формы может быть обеспечен вывод воздуха, который заполнял эти поры. Мнение, что при нулевой газотворности может быть допущена минимальная проницаемость, справедливо только для форм, имеющих нулевую пористость.
Если нарастание корки металла происходит медленно, например при заливке чугуна, то по мере прогрева стенки и нарастания давления воздух проникает через металл и удаляется наружу. При этом наблюдается непрерывное кипение возле стенок формы и удаление воздуха через металл без всякого вреда для отливки. Механизм такого кипения можно представить в следующем виде. Полость, заполненная воздухом под давлением 1 ата, начинает прогреваться, и в полости растет давление. Как только прирост давления сделается больше суммы сопротивлений, газовый пузырь оторвется и всплывет, а в полости вновь установится давление 1 ama. С прогревом воздуха все повторяется. Непрерывная пульсация давления и выделения пузырей создает вид кипения, которое продолжается до тех пор, пока при температуре максимального прогрева в воздушной полости не установится давление, равное одной атмосфере и сумме сопротивлений. При этом отрыв воздушного пузыря делается невозможным. Если корка металла начинает формироваться в процессе выделения воздушных пузырей, то вся отливка оказывается пораженной воздушными пузырями. Если корка образовывается к моменту начала действия воздушного давления, то можно наблюдать крупные вмятины. Для проверки возможности прорыва корки металла выделяющимися из формы газами или при расширении воздуха были поставлены опыты. Схема установки показана на рис. 4.
В стальные разъемные гильзы 1, скрепленные зажимами 6, устанавливался керамический стержень 2 из кварцевого песка 0315/016. Связующими служили азотно-кислые соли. Для увеличения пористости стержня добавлялись опилки. Стержни из этой смеси прокаливались при 600°. Такой стержень обладал большой прочностью и хорошей газопроницаемостью. После установки стержня 2 в гильзу вставлялось кольцо — футеровка 3. Для герметичности футеровка устанавливалась на огнеупорную жидкостекольную замазку. После подготовки приспособления в футеровку наливался алюминий и после заданного времени выдержки из баллона подавался газ. Для предотвращения окисления металла использовался аргон. Величина давления, создаваемая под коркой, контролировалась ртутным манометром. Моментом прорыва корки считалось падение давления.
Сопротивление (падение давления) подводящей системы и газопроницаемого стержня определялось перед основными опытами. Оно равнялось 8—10 мм рт. ст.
Металлостатическое давление составляло 20 мм рт. ст.
Температура заливки во всех случаях — 740°. Металл в постоянном количестве (для каждого опыта) и при одном перегреве заливался в гильзу. Через 10, 20, 30, 45, 60, 70, 90 сек после окончания заливки давалось давление. В момент прорыва корочки металла давление на манометре резко падало до 25 мм рт. ст. Толщина образовавшейся корочки за указанный отрезок времени определялась расчетом. Рост корки во времени (расчетный) и необходимое давление для ее прорыва представлены на рис. 5, на котором видно, что первые 30 сек давление не увеличивается и остается примерно постоянным,что можно объяснить ничтожно малой прочностью корки в первый момент. В дальнейшем, по мере нарастания корки и ее укрепления, Давление, необходимое для ее прорыва, возрастает. Причем нарастание потребной величины давления сначала происходит сравнительно медленно, а затем ускоряется и при толщине корки около 5 мм, что соответствует выдержке около 90 сек, составляет выше 300 мм рт. ст. Из приведенных данных видно, что корки, даже значительной толщины, могут быть деформированы проходящим через пористую стенку газом сравнительно небольшого давления. При большом сопротивлении негазотворной формы расширяющийся воздух способен создать вмятины в затвердевающем металле.
С пороками воздушного происхождения можно бороться различными путями.
1. Фильтрация воздуха наружу при прогреве формы. Это может быть решено для форм по выплавляемым моделям сеткой трещин в силикогеле, отсутствием термических трещин во внутренних полостях формы, способных исказить направленный газовый поток, а также увеличением зернистости наружных слоев формы. Для форм по ГПСМО-процессу — тщательным прессованием; чтобы воздух не попадал в стенки формы, — добавкой графита или волокнистого асбеста, создающих непрерывную сетку, которая способствует выводу воздуха. При негазотворных и газотворных формах всякая канализация для вывода газа или воздуха ухудшает качество поверхности формы.
2. Медленное расширение воздуха и замедленное проникновение его в стенку отливки позволяет успешно накладывать одностороннее внешнее давление от воздушной магистрали для уравновешивания роста давления в полости стенок формы. Для того чтобы такое внешнее давление было бы эффективным, необходимо создать наружную воздухонепроницаемую оболочку, что можно осуществить натирками. Заливка керамических форм в автоклаве с накладыванием внешнего давления всегда обеспечивает здоровую и плотную отливку.
3. Удаление воздуха из стенок формы, что может быть осуществлено при заливке под разрежением по схеме рис. 6. В сосуде 1 с днищем 2 на пружинах устанавливается опока 4, в которой помещается форма 5 в засыпке 6. Опока закрывается крышкой или торцевой заделкой из песчано-жидкостекольной смеси, чтобы засыпка не могла быть увлечена при откачивании воздуха из сосуда.
Крышка устанавливается так, чтобы керамический стояк проходил через отверстие. Сверху крышки устанавливается керамическая лепешка, которая прижимается крышкой 9, закрепленной откидными зажимами. На верхнюю часть крышки наворачивается гайка — чаша 10, которая прижимает алюминиевую пластинку 11. Крышка может поворачиваться и подниматься на кронштейне. Сосуд внутри покрыт теплоизоляцией. В сосуде создается желаемое разрежение, чтобы воздух из стенок формы был удален. Остаточное разрежение должно быть 100—150 мм рт. ст., чтобы давление воздуха в тупиковых порах при заливке сталью не могло быть выше 1 ата. Заливка под разрежением гарантирует от образования газовых раковин. Кроме того, при заливке под разрежением можно использовать плотные формы, что обеспечивает получение поверхностей высокого класса. Отсутствие воздуха внутри полости позволяет получать тонкие отливки с высокой четкостью контура. Однако при заливке под разрежением следует учитывать, что газы, растворенные в металле, интенсивно выделяются и разрывают струю, что может привести отливку в полную негодность.
Поэтому металл при заливке под разрежением должен быть тщательно дегазирован, лучше всего — вакуумированием.
При заливке под разрежением особо важную роль играет устройство литниковой системы. Например, при заполнении затопленной струей на поверхности металла наблюдается лишь небольшое волнение. При заполнении вакуумированной формы нежелательно, чтобы струя имела внезапное расширение, так как она разрывается. При правильном подводе металла заполнение под разрежением форм, изготовленных по ГПСМО-процессу, позволяет получать отливки с высококачественной поверхностью и с кромками 0,4—0,5 мм.