Теплофизические и технологические свойства сплавов материалов формы

Технологические свойства характеризуют способность смеси обеспечивать получение высококачественных форм при различных тех­нологических процессах их изготовления. К наиболее важным техноло­гическим свойствам относятся влажность, текучесть, уплотняемость, формуемость, насыпная плотность, прочность, ударная вязкость, при-липаемость, кажущаяся плотность.

Влажность  определяется непосредственно после приготовления смеси (не позднее чем через 10 мин) по ГОСТ 23409-78. Влажность оказывает влияние практически на все технологические и рабочие свойства смесей. Важным технологическим фактором пластические свойства смеси. Они характеризует способность смеси к необратимым деформациям при приложении определенных внешних нагрузок. При уплотнении смеси ее пластичность определяется перемеще­нием частиц относительно друг друга и деформацией пленок, покры­вающих зерна наполнителя. Способность к пластической деформации смеси определяется влажностью, типом связующего и его вязкостью. Для оценки пластичности смеси различают следующие характеристики: уплотняемость, текучесть, сыпучесть, формуемость, заполняемость Уплотняемость характеризует способность смеси уменьшать свой объем (в замкнутом пространстве) под действием собственного веса или внешней нагрузки. Она определяется по относительному снижению вы­соты стандартного образца Смеси после уплотнения тремя ударами коп­ра (ГОСТ 23409. 13-78). Уплотняемостъ увеличивается с ростом влажности смеси до мо­мента покрытия поверхности зерен влажной пленкой. По мере заполне­ния водой пор смеси повышение влажности уменьшает уплотняемость. Уплотняемостъ уменьшается с увеличением вязкости связующего. От уплотняемости смеси зависит качество и чистота поверхности отливок.

Понятие текучести смеси строго определяется понятием пла­стичности, т. е: характеризует способность смеси получать пластиче­ские деформаций без нарушения сплошности под действием внешнего давления. Чем большую деформацию при данной нагрузке получает смесь, тем выше ее текучесть. Текучесть можно охарактеризовать как способность смеси к перемещению в направлении, перпендикулярном к уплотняющей силе. Высокая текучесть обеспечивает равномерную сте­пень уплотнения форм. Текучесть характеризуется сопротивлением смеси сдвигу ее слоев.

Степень связности песчано-глннистых смесей оценивается по их формуемости. Согласно ГОСТ 2340915-78 формуемость определяют по методу Диггерта путем просеивания пробы смеси за определенное время через вращающийся сетчатый барабан. Ее оценивают как выра­женное в процентах отношение массы смесн, прошедшей через ячейки сетки, к исходной массе смеси. Под формуемостью можно понимать способность смеси сжи­маться и изменять свой объем под действием сжимающей силы, которая увеличивается от начального значения до предельной величины. Выше этой величины смесь практически не уплотняется.

Важной характеристикой жидкоподвижных смесей (ЖСС) явля­ется подвижностъ, текучесть, характеризующая способность смеси заполнять полости стержневых ящиков или модельно-опочной оснастки под действием собственного веса. По ГОСТ 23409.25-78 подвижность ЖСС может определяться по сопротивлению сдвигу или диаметру расплывания определенного объема смеси.

Прочностные характеристики смесей определяются на стан­дартных образцах В соответствии с ГОСТ 23409.7-78 проводятся ис­пытания влажных, сухих и отвержденных образцов при сжатии, растя­жении, изгибе и срезе. Прочностные характеристики определяют на об­разцах смеси, полученных при стандартном уплотнении. При обычных испытаниях формовочных смесей определяют общую прочность, т.е. среднюю вели­чину по всему сечению образца. В объеме смеси каждое зерно равно­мерно со всех сторон связано с окру­жающими подобными же частицами пленкой связующего. Поверхностная прочность опреде­ляет сопротивляемость формы механическому и термическому воздействию струи металла при заливке формы и поэтому существенно влияет на качество поверхности отливок. Поверхностную прочность смесей характеризуют величиной осыпаемости. Определение осыпаемости по ГОСТ 234099-78 основано на из­мерении потери массы стандартного образца смеси в сыром и высушенном состояниях при его трении в течение 1 мин о стенки сетчатого барабана диаметром 110 мм и с размерами ячеек сита 2,5 мм, вращающегося с частотой 1с^-1.

Важным технологическим свойством смесей является их живу­честь, характеризующая время, в течение которого смесь сохраняет свойства, необходимые для принятой технологии изготовления форм стержней. Живучесть выражают отношением значений прочно­сти смеси, подученных после ее выдержки через определенные проме­жутки времени и сразу после приготовления.

Твердость - величина, характеризующая сопротивление поверх­ности проникновению в нее постороннего тела. Твердость форм и стержней косвенно характеризует такие свойства, как прочность и плотность смеси. Простота определения твердости без разрушения фор­мы обеспечила широкое распространение определения твердости как показателя качества формы или стержня.

Прилипаемостъ - характеризующее способность сырой смеси прилипать к ленте транспортера, стенкам бункеров, поверхностям моделей и стержневых ящиков. Прилипаемость - нежелательное свойство смесей. Прилипание смеси к твердым поверхностям возникает, если силы адгезии (сцепления) смеси с этими поверхностями больше сил когезии, характеризующих сцепление между отдельными частицами смеси. Для уменьшения сил адгезии необходимо снижать смачиваемость поверхностей водой или жидким свя­зующим, а также влажность смеси и содержание в ней связующего. С уменьшением поверхностного натяжения связующего сила адгезии и,следовательно, прилипаемость уменьшаются. 

Очень важное значение имеет гигроскопичность смесей, т. е. их способность поглощать влагу при хранении стержней и выдержке форм перед заливкой. Гигроскопичность смесей зависит от рода применяемых связующих. Наибольшей гигроскопичностью обладают смеси на лигно-сульфонатах и жидком стекле (равновесная влажность 4,2 %), а наименьшей - смеси на маслах и смолах (равновесная влажность менее 1 %).

По ГОСТ 23409.10-78 гигроскопичность смесей определяют по нарастанию массы образца, выдержанного в течение 2 ч в эксикаторе на фильтровальной бумаге, помещенной на влажном песке.

Теплофизические свойства материалов формы. Теплофизические свойства смесей определяют тепловые процессы в отливке и в форме. Изменяя теплофизические свойства материала формы, можно в десятки раз изменять скорость затвердевания отливки. К основным теплофизическим свойствам относят удельную теплоемкость, теплопро­водность, плотность, коэффициент температуропроводности и коэффи­циент аккумуляции тепла. Удельная теплоемкость С - свойство, определяющее количество тепла, необходимое для изменения температуры единицы массы веще­ства на один градус. Удельная теплоемкость смесей зависит от состава, влажности, уплотнения и температуры. С увеличением влажности удельная теплоемкость возрастает. С повышением температуры увели­чение удельной теплоемкости происходит по линейному закону. Раз­мерность удельной теплоемкости - Дж/(кгК). Теплопроводность смеси  определяется удельным тепловым потоком, передаваемым смесью по нормали к изотермической поверх­ности при градиенте температуры (dT/dn) равном единице. Размер­ность теплопроводности в СИ - Вт/(мК). На основании закона. Теплопроводность смеси определяется как эффективная, учиты­вающая все указанные процессы. Она увеличивается с ростом темпера­туры, влажности и уплотнения, а также с повышением содержания свя­зующего. Теплопроводность смеси зависит от теплопроводности напол­нителя. 

Коэффициент температуропроводность, м²/с (распределение температур в стенке формы):

Теплоаккумулирующая способность формы b является основной физической константой, определяющей интенсивность охлаждения от­ливки. Величина b связана с основными теплофизическими свойствами выражением

Коэффициент аккумуляции тепла смесью зависит от состава сме­си, наполнителя, уплотнения, влажности и температуры. С ростом тем­пературы b увеличивается. Изменяя состав смеси и степень уплотнения, можно изменять b в пределах от 1000 до 4000 Вт-с^1У2/(м²-К). Как следует из вышеприведенной формулы, скорость затвердевания отливок при изменении b в указанном диапазоне может быть увеличена в 16 раз.

Так как теплофизические свойства смеси существенно зависят от температуры, то их реальные значения в зависимости от степени про­грева в разных точках по толщине стенки формы различны. Поэтому применяемые в расчетах значения теплофизических свойств, представ­ляющие собой некоторые усредненные, эффективные значения, являют­ся характеристикой не только смеси, но и конкретных технологических условий (вида сплава, толщины стенки отливки, степени уплотнения и т.п.).

31. Физико-химические процессы на границе «металл-форма» и образование дефектов: пригара; ужимин; наростов.

После заливки металла в форму и охлаждения отливки можно наблюдать в слое песка, прилегающем к поверхности отливки, полное изменение его свойств. Образовавшаяся сплошная масса имеет типичный серый цвет и блестящую поверхность. В некоторых случаях этот слой прочно связан с отливкой.

Пока температура поверхности отливки выше температуры солидуса, проникновение металла в форму может произойти. Поэтому, если па поверхности формы присутствует науглероживающее вещество (например, для стали), то также может произойти местное расширение интервала затвердевания и повышение проникновения металла в форму.

Кроме того, между основой формы и металлом может произойти химическая реакция с образованием, например, фаялита.

Проникновение расплава можно ограничить снижением температуры заливаемого металла и тщательным его раскислением. Полностью предупредить протекание химических процессов можно лишь изменением вида формовочного материала.

Пригар. Известно, что элементы, вызывающие повышение текучести расплава, одновременно облегчает его проникновение в форму, при чем при более низкой температуре. Например, добавки фосфора в сталь (до 0,9 % Р) вызывают значительное повышение ее текучести, что приводит к глубокому проникновению металла в форму. Титан, наоборот, известен как элемент, снижающий текучесть стали. При его добавлении в сталь проникновение металла в форму происходят лишь при повышенных температурах.

Пока температура поверхности отливки выше температуры солидуса, что наблюдается в сталях с повышенным содержанием углерода, проникновение металла в форму может произойти, поэтому если па поверхности формы присутствует науглероживающее вещество, то также может произойти местное расширение и затвердевания и повышение проникновения металла в форму.

После заливки металла в форму и охлаждения отливки можно наблюдать в слое песка, прилегающем к поверхности отливки полное изменение его свойств. Образовавшаяся сплошная масса имеет типичный серый цвет и блестящую поверхность. В некоторых случаях этот слой4трочно связан с отливкой.

На разрезе этого слоя песка можно видеть исходные кварцевые зерна, которые частично окружены темным шлаковидным веществом.

Микрорентгеновский анализ показал в этом слое наличие фаялита (2FeO ^. SiO₂), который образуется при достаточно высокой температуре металла и достаточном времени реакции FeO (из расплава) с SiO₂ (наполнителя).

В присутствии оксида алюминия образуется муллит (3Al₂O₃ ^. 2SiO₂).

Из приведенного анализа следует, что спекание кварцевых зерен песка может продолжаться до относительно низких температур.

На процесс проникновения расплава оказывает влияние также содержание марганца в заливаемом металле. Например, если сталь содержит примерно 0,6 % Mn, то оксид марганца, обнаруженный в слое песка, образующий пригар, составляет примерно 3 % от общего содержания марганца. При повышенном содержании марганца, например при заливке аустенитной марганцевой стали, основной оксид марганца MnO активно реагирует с кварцевыми зернами (SiO₂), которые имеют кислородный характер: SiO₂ + MnO → MnO ^. SiO₂.

Образовавшееся соединение силиката марганца отличается низкой температурой плавления.

В обоих случаях проникновение расплава, вызванное химическими процессами, можно значительно ограничить снижением температуры заливаемого металла и тщательным его раскисления.

Полностью предупредить протекание химических процессов можно лишь изменением вида формовочного материала. Например, протекание приведенных химических реакций можно предотвратить применением магнезита или хромомагнезита, которые не имеют кислотного характера.

Ужимины. Неравномерное расширение слоев смеси под поверхностью формы вызывает в ней напряжение, которое может привести к повреждению формы. В зоне, где наблюдается наибольшее расширение песка (рис.2), т.е. на поверхности формы, расширяющийся формовочный мате риал тормозится соседними, слабоподвергшимися действию тепла, слоями. В нем возникает напряжение сжатия, которое при соответствующей конфигурации отливки переходит в напряжение, перпендикулярное к поверхности формы. Если это напряжение превысит жесткость напряженного слоя, го при определенных условиях (низкая прочность формовочного материала, влажность и газы) он может вспучиться и отслоиться. Этот механизм образования ужимин.

1 – давление газов; 2 – сжимающее напряжение, обусловленное расширением зерен песка; 3 – растягивающее напряжение смеси; 4 – конденсационная зона; 5 – результирующая сила, вызывающая отслоение поверхностной корки смеси; 6 – направление

Рис.2. Факторы, влияющие на образование ужимин

Предупреждение. Подобрать состав с большей огнеупорностью, прочностью и меньшей деформацией при нагреве.

Нарост. Причины появления: Неравномерное уплотнение смеси при формовке, неправильная литниковая система.

Предупреждение. Более тщательное уплотнение смеси при формовке и более равномерное увлажнение, изменить подвод металла к отливке.

32. Физико-химические процессы на границе «металл-форма» и образование дефектов ситовидной пористости; засоров и неметаллических включений.

Ситовидная пористость – сплошная зона удлиненных пузырьков, вытянутых перпендикулярно к поверхности отливки.

1 – оксиды железа; 2 – расплав; 3 – форма; 4 – ситовидная пористость

Рис.3. Форма пузырьков ситовидной пористости и характер их роста

Причины:

1. Водород или азот, растворяющиеся в расплаве при его контакте с формой, или их сочетание. В процессе затвердевания растворимость этих газов в металле быстро снижается, образуя ситовидную пористость: 2Н → Н₂ (ситовидная пористость), 2N → N₂ (ситовидная пористость). Водородная теория была применена для сплавов Mg, Al, Cu, Fe, а азотная – только для сплавов Fe;

2. Образование СО (только в сплавах железа). В расплаве присутствует кислород в форме оксидов. Содержание кислорода возрастает при контакте металла с формой, поскольку на поверхности отливки образуются оксиды FeO. При определенном содержании кислорода в металле происходит восстановление оксидов углеродом расплава по реакции: МеО + С (в металле) → Ме + СО (ситовидная пористость). Образовавшиеся пузырьки СО могут увеличиваться за счет диффузии водорода, иногда других газов, которые в них ассоциируются в молекулы. СО, как причина ситовидной пористости, указывается для отливок из стали, высокопрочного и серого чугуна. В работах Гака приводится теория возникновения ситовидной пористости в сером чугуне при наличии корольков внутри газовых пор вследствие протекания следующих реакций: Fe₂O₃ + 3C (в металле) → 2Fe + 3CO (ситовидная пористость) или 2Fe₂O₃ + 3C (в металле) → 4Fe + 3CO (ситовидная пористость). Присутствующие С или СО₂ образуют в пузырьках пленку графита.

3. Образование водяного пара. Эта гипотеза была предложена, в частности, для сплавов Cu, но была применена и для сплавов железа (для отливок из стали). Водяной пар образуется при повышенной температуре в сырой форе по уравнению: MeO + 2H → Me + H₂O (ситовидная пористость).

4. Образование сероводорода. Эта теория применяется специально для высокопрочного чугуна. При обработке чугуна магнием образуется MgS, который частично остается в расплаве. При заливке в сырые формы происходит реакция MgS + H₂O → MgO + H₂S (ситовидная пористость).

Таким образом, пористость в отливках из сплавов железа появляется главным образом при их изготовлении в сырой форме. Для стали наиболее важной причиной ситовидной форме. Для стали наиболее важной причиной ситовидной пористости считают СО, в то время как в сером чугуне и, в особенности высокопрочном, – водород. Однако механизм образования ситовидной пористости не является простым, на его возникновение оказывают влияние одновременно и другие газы: азот, водяной пар, углекислый газ и т.п.

Для предупреждения ситовидной пористости производится тщательное раскисление металла и обеспечивается полная защита стали от воздействия влаги и водяного пара. Для этого необходимо хорошо просушивать футеровку печи и приспособления, которые входят в контакт с жидким металлом.

Неметаллические включения, засоры. Правильно соблюдать технологический процесс приготовления формы и формовочной смеси. Неметаллические включения в отливках представляют собой твердые частицы соединений компонентов сплавов с неметаллическими примесями. Их размеры колеблются от долей микрона до десятков микрон. Основная масса неметаллических включений в литейных сплавах делится по составу на окислы и сульфиды. По видам источников неметаллические включения: на попадающие в сплав вместе с шихтой, продукты взаимодействия компонентов сплава с примесями или добавками, продукты взаимодействия компонентов сплава с атмосферой. По формам неметаллические включения делятся на круглые, кристаллические, дендритные и пленочные. Причины: 1.Неправильный расчет и конструкции элементов литниковой системы; 2.Некачественная сборка формы. 3.Низкая формовочной или стержневой смеси. 4.Слабое уплотнение формы или стержня.