Материал: Теория литейных процессов
7.5.2. Поверхностное расширение и ужимины
После заливки происходит интенсивная передача тепла металла в форму. Возникающий градиент температуры на поверхности формы вызывает неравномерное расширение отдельных слоев смеси.
Кварцевый песок является основным компонентом формовочной смеси и при повышении температуры расширяется, причем наиболее опасное расширение происходит до температуры 573 °С, при которой изменяется аллотропическая модификация песка.
Неравномерное расширение слоев смеси под поверхностью формы вызывает в ней напряжение, которое является опасным и может привести к повреждению формы. В зоне, где наблюдается наибольшее расширение песка (рис. 7.10), т. е. на поверхности формы, расширяющийся формовочный материал тормозиться соседними, слабоподвергшими действию тепла, слоями. В зоне возникает напряжение сжатия, которое при соответствующей конфигурации отливки переходит в напряжение, перпендикулярное к поверхности формы. Если это напряжение превысит жесткость напряженного слоя, то при определенных условиях (низкая прочность формовочного материала, влажность и газы) формовочный материал может вспучиваться и отслоиться. Этот механизм повреждения формы в литературе описывается как образование ужимин. Протекает этот процесс сложно, так как формовочная смесь представляет собой неоднородный материал, в котором при нагревании вначале происходит микрорасширение, вызывающее взаимное смещение зерен и частичное заполнение свободных пространств между ними, а лишь потом макрорасширение.
Рис. 7.10. Факторы, влияющие на образование 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; б - направление перемещения поверхности расплава
Образованию ужимин способствуют слишком обширные горизонтальные стенки отливки при неправильно выбранном положении формы при заливке, а также неудачный выбор формовочной смеси, имеющей большое тепловое
2N -» N2 (ситовидная пористость);
Водородная теория была применена для сплавов Mg, Al, Си, 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) —>Me + 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 Гаака приводится теория возникновения ситовидной пористости в сером чугуне при наличии корольков внутри газовых пор вследствие протекания следующих реакций:
Fe203+3C (в металле) —►2Fe+3CO (ситовидная пористость)
или
2Fe20 3+3C (в металле) —>4Fe+3C02 (ситовидная пористость). Присутствующие СО или С02 образуют в пузырьках пленку графита.
3. Образование водяного пара. Эта гипотеза была предложена, в частности, для отливок Си, но была применена и для сплавов железа (для отливок из стали). Водяной пар образуется при повышенной температуре в сырой форме по уравнению
МеО + 2Н —►Me + Н20 (ситовидная пористость).
4. Образование сероводорода. Эта теория применяется специально для высокопрочного чугуна. При обработке чугуна магнием образуется MgS, который частисно остается в расплаве. При заливке в сырые формы происходит реакция
MgS + Н20 —>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 пористости считают СО, в то время как в сером чугуне и, в особенности в 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 отливок 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.
1.Природа газовой фазы при плавке металлов и сплавов.
2.В каком состоянии находятся газы в металлических сплавах?
3.Стадии взаимодействия газов с жидким металлом.
4.Закон абсорбции и Гснри-Далатсна и Сивергса.
5.Взаимодействие жидких металлов:
с водородом; кислородом; азотом.
6. Взаимодействие жидких металлов со сложными газами: оксидом углерода (СО); диоксидом углерода (С 02);
сернистым газом (S 02); метаном (СН4).
7. Какие материалы применяют для тиглей в печах?
8. Какие характеристики определяют огнеупорность материалов? Составы огнеупорных оксидных материалов?
9.Взаимодействие металлических расплавов с оксидными огнеупорными материалами и методы их устранения.
10.Явление смачивания и его влияние на взаимодействие расплавов с оксидной футеровкой.
11.Физико-химические и механические взаимодействия расплавов с формой (пригар, механическое воздействие давления расплава, химическое и физико-химическое воздействие, поверхностное расширение и ужимины, ситовидная пористость и причины ее возникновения).
Библиографический список
1.Гуляев Б. Б. Литейные процессы / Б. Б. Гуляев. - М. : Машиностроение, 1966.
2.Курдюмов А. В. Производство отливок из сплавов цветных металлов. Изд-е 2-е, доп. и перераб. / А. В. Курдюмов, М. В. Пикунов, В. М. Гурсин, Е. Л. Бибиков. - М. МИМиС, 1996.
Пикунов М. В. Теория литейных процессов: курс лекций / М. В. Пикунов. - М. МИСиС, 1991.
ГЛАВА 8. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАСКИСЛЕНИЯ
ИРАФИНИРОВАНИЯ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ РАСПЛАВОВ
8.1.Содержание газов в стали перед раскислением
Впроцессах выплавки стали в конвекторах, мартеновских и электродуговых печах до начала раскисления происходит непрерывное поступление газов в металл из печной атмосферы, шлака или непосредственно из газовой струи, вдуваемой в металлическую ванну.
Кислород. Особенности межфазового перехода кислорода в системах газовая фаза - оксидный расплав - металлический расплав связаны с различными формами его существования в фазах, наличием предела
растворимости в металлической фазе и возможностью выделения самостоятельной оксидной фазы основного металла.
При этом газовая фаза содержит кислород в виде молекул, а при очень высоких температурах - в виде атомов и ионов. Оксидный расплав содержит кислород в виде ионов О'2, переходящий в металл совместно с ионами основного металла Fe+2 или Си+2 для систем Fe-0 и Си-0 соответственно. Ионы других элементов в шлаке не участвуют в переходе в металл совместно с кислородом и влияют на равновесные характеристики через изменение активности распределяющих между шлаком и металлом кислорода или оксида основного металла.
Предельная растворимость кислорода в жидком металле в зависимости от температуры и состава шлака для систем Fe-0 и Си-0 может быть определена по их диаграммам состояния или по уравнениям
lg [О] = - 6320 / Т+ 2,734 или lg [0]£ *= - 6400 /Г + 0,756;
lg [о] ";с = - 6500 / Г+ 4,4688 (1356-1506 К); lg [О] "Г = - 3640 / Г+ 2,555 (1506 - 1700 К).
С понижением температуры жидкого металла растворимость в нем кислорода уменьшается. При 1650 °С растворимость кислорода составляет 0,276 %, при температуре кристаллизации - 0,17 %. При переходе железа в твердое состояние растворимость кислорода уменьшается скачкообразно. Растворимость кислорода в 5-Fe при температуре плавления (1538 °С) составляет 0,034 %, а далее при охлаждении она уменьшается в соответствии с
уравнением |
|
lg [0] = - 12630/Г + 5,51. |
(8.2) |
В y-Fe растворимость кислорода еще значительно ниже и составляет |
|
всего 0,003-0,004 %, в a-Fe - всего 0,002 %, причем |
она уменьшается с |
понижением температуры.
Все эти скачкообразные при аллотропических превращениях и постепенные в температурном интервале существования каждой из модификаций железа изменения растворимости кислорода приводят к
235