Материал: Теория литейных процессов.

* В числителе - начало деформации, в знаменателе - потеря прочности в огнеупорных материалах.

Наиболее опасным является взаимодействие металлических расплавов с

Восстановленный металл [R] растворяется в металлическом расплаве и загрязняет его. Образующийся оксид (МеО) может растворяться в расплаве, оставаться в свободном виде или же образовывать сплав с огнеупорным оксидом. В результате такого взаимодействия разрушается футеровка и загрязняется расплав. Подобное взаимодействие имеет место при попытке плавить магниевые сплавы на оксидной футеровке, содержащей оксид кремния:

Такое же взаимодействие происходит при плавке алюминиевых сплавов на шамотной футеровке, но реакция между алюминием и кремнеземом футеровки идет довольно медленно:

Д. И. Менделеева (например, титан) настолько активны по отношению к кислороду, что никакие огнеупорные оксиды не выдерживают воздействия подобных расплавов. Поэтому применяют в качестве материала тигля при выплавке титановых сплавов водоохлаждаемую медную изложницу - кристаллизатор. Расплав контактирует с твердой коркой, нарастающей на металлической поверхности, охлаждаемой с противоположной стороны водой.

Явление смачивания. Смачивание обычно предшествует химическому взаимодействию. Чистые металлы при отсутствии химического взаимодействия с огнеупорными оксидами смачивают их плохо. Смачивание усиливается при растворении в них кислорода.

Химическое взаимодействие расплава с футеровкой и смачивание ее расплавом вызывает металлизацию футеровки. Прилежащий, к расплаву слой футеровки меняет свой цвет, существенно возрастает его физическая плотность.

Если расплав химически не реагирует с футеровкой, то металлизация происходит только за счет пропитывания пористой футеровки расплавом. При условии плохого смачивания футеровки расплавом краевой угол 0 > 90° Это значит, что расплав будет затекать в пору радиусом г только под избыточным

где <т- поверхностное натяжение расплава; 0 - краевой угол смачивания. Это избыточное давление определяется столбом расплава высотой Л:

Если краевой угол смачивания 0 < 90°, то данное явление существенно меняется. При этом условии мениск в капиллярах из выпуклого становится вогнутым. Появляется добавочное давление, возникающее в самой поре и способное поднять в ней расплав на высоту А. Это означает, что при 0 < 90° во всех порах футеровки должна действовать сумма давлений металлического и капиллярного.

Если между расплавом и оксидной футеровкой возможна химическая реакция, межфазная энергия снижается до нуля. Это приводит к соответствующему уменьшению 0 и вызывает самопроизвольное втягивание расплава в поры.

Взаимодействие металлического расплава с оксидной футеровкой может сопровождаться также такими явлениями, как разъедание футеровки или образование настылей. Настылью в металлургии называют участок твердого металла или шлака, самопроизвольно возникающий в расплаве. В данном случае речь идет о самопроизвольном нарастании твердого конгломерата оксидов на стенках плавильной ванны.

Разъедание оксидной футеровки объясняется появлением жидкого сплава оксида металла МеО с оксидом футеровки RO. Появление такого жидкого сплава возможно, если в системе MeO-RO имеется область легкоплавких составов, а плавка ведется при температурах, превышающих точки плавления этих легкоплавких составов.

металлических паров в поры формовочного материала и их последующее конденсирование. Однако расчеты показали, что количество конденсирующего пара было бы слишком мало, чтобы вызвать проникновение металла в форму. Против этой теории свидетельствует и то, что химический состав проникающего металла такой же, как в отливке, и одновременная конденсация паров различных компонентов сплава невозможна.

При контакте расплава с формой могут наблюдаться два случая: расплав не проникает в поры между зернами;

расплав проникает в поры между зернами и просачивается по ним в глубину формы.

Механическое воздействие давления расплава. Граница между этими двумя случаями определяется так называемым критическим давлением, характеризующим проникновение расплава в поры формы. Его можно определить как давление, необходимое для вдавливания расплава в капилляр (7.9). Для его расчета и экспериментального измерения можно с округленным приближением применять капилляр радиусом г, соответствующим размерам пор между зернами уплотненной формы. Давление против проникновения расплава между зернами песка описывается уравнением

где Р: - давление против проникновения металла в форму, Па; а - поверхностное натяжение жидкого металла, Н/м; 0 - краевой угол смачивания между капилляром и жидким металлом; г - радиус капилляра, м.

Рис. 7.9. Взаимодействие сил при проникновении расплава в поры формы

Отрицательное значение Р2 указывает, что мениск расплава, который является вогнутым, соответствует давлению, направленному от границы «металл-газ» в форму. Очевидно, что величина Р2, полученная из приведенного уравнения, отражает внутреннее давление, препятствующее проникновению

металла в капилляр, а его превышение приводит к проникновению металла в капилляр.

Вдавливание металла в капилляр может быть вызвано внешним давлением металлостатического напора металла, заполняющего форму при атмосферном давлении. Для второго случая можно рассчитать минимальный напор /?„, соответствующий высоте металла плотностью р, при котором металлостатическое давление находится в равновесии с давлением поверхностного натяжения.

Металлостатическое давление определяется по уравнению (7.30) Ps<=hnpg, Па, где /?„ - высота металла, м; р - плотность, KT/ Mj ; g - ускорение силы тяжести, м/с"

После постановки этого выражения в уравнение для определения давления расплава в капилляре можно рассчитать критический металлостатический напор:

Один и тот же расплав при постоянной температуре (р = const; о= const; 0 = const) будет тем хуже проникать в поры между зернами (капиллярами), чем меньше будет их размер, и тем больше будет степень уплотнения формовочного материала. С увеличением уплотнения формы возрастают критический напор Ап и проникновение металла между зернами наполнителя.

Если угол смачивания 0 будет меньше 90 °С (0 < 90°), то материал формы смачивается расплавом, что способствует проникновению его в капилляры, так как выражение для критического металлостатического давления имеет отрицательное значение. Другими словами, расплав засасывается в форму без металлостатического давления.

У металлов и сплавов с низкой плотностью (легких металлов и сплавов) опасность проникновения расплавов в пространства между зернами небольшая, поскольку при низкой плотности этих материалов (р) критическое давление Лп очень высокое.

Критическое давление Л„ колеблется для стали, заливаемой в нормально уплотненные формовочные смеси, в интервале 0,5-0,7 м столба жидкой стали. Если для песка со средней величиной зерна (d= 1 1(Г3 м) критический напор Ап = 0,36 м столба стали, то для песка с величиной зерна (d = 6 10° м) этот напор повышается до 1,6 м столба стали.

Таким образом, проникновение расплава снижается при уменьшении диаметра зерен песка. Установлена взаимосвязь между проникновением металла и газопроницаемостью, величиной зерна и температурой спекания.

Экспериментально доказано, что давление, необходимое для преодоления поверхностного натяжения и создания условий для непрерывного проникновения расплава в форму, прямо пропорционально величине поверхностного натяжения данного металла.

Действие поверхностного натяжения может значительно измениться при образовании на поверхности расплава оксидной пленки. Это можно наблюдать, например, в расплавленном алюминии, поверхность которого покрыта оксидной пленкой, повышающей кажущееся поверхностное натяжение до трех раз.

Химическое и физико-химическое воздействие. Известно, что элементы, вызывающие повышение текучести расплава, одновременно облегчают его проникновение в форму, причем при более низкой температуре. Например, добавка фосфора в сталь (около 0,9 мае. % Р) вызывает значительное повышение ее текучести, что приводит к глубокому проникновению металла в форму. Титан, наоборот, снижает текучесть стали, и при его добавлении в сталь проникновение металла в форму происходит лишь при повышенных температурах.

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. На разрезе этого слоя песка можно видеть исходные кварцевые зерна, которые частично окружены темным шлаковым включением. В данном случае это вещество связывает зерна вместе подобно цементу. Химический анализ такого переходного слоя следующий, мае. %: 88 Si02; 1,6 Fe03 и 9,2 FeO.

Микрорентгеновский анализ показал в этом слое наличие фаянита (2FeOSi02), который образуется при высокой температуре металла и достаточном времени реакции FeO (из расплава) с Si02 (наполнителя). В присутствии оксида алюминия образуется муллит (3A1203*2Si02).

На процесс проникновения расплава оказывает влияние также содержание марганца в заливаемом металле. Например, если сталь содержит примерно 0,6 мае. % Мп, то оксид марганца, образующий пригар, составляет примерно 3,0 мае. % общего содержания марганца. При повышенном содержании марганца (сталь Г13Л) основной оксид марганца МпО активно реагирует с кварцевыми зернами (Si02), которые имеют кислотный характер (Si02+MnO—»MnOSi02). 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 раскислением.

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.