Быстрый поиск

Реферат: Анализ методов сокращения пригара на стальном литье

1.2. Механический пригар

Образуется вследствие проникновения расплавленного металла в поры формы. Для того чтобы возник механический пригар, металл должен внедриться в поры формы на глубину не меньше диаметра зерна формовочной смеси. При этом на поверхности отливки возникает сетка из металла и зерен формовочной смеси, удалить которую можно только вырубкой совместно с поверхностным слоем отливки. Механизм образования механического пригара можно представить следующим образом. Поступая в форму, жидкий металл соприкасается с еще холодными ее стенками и охлаждается с поверхности, в результате на поверхности отливки образуется затвердевшая корка. Толщина этой корки зависит от температуры заливаемого металла, температуры и теплоаккумулирующей способности формы и других факторов. Если отливка сравнительно тонкостенная, то теплоты, выделяющейся при последующей кристаллизации всей массы отливки, оказывается недостаточно для того, чтобы вновь расплавить первоначально образовавшуюся корку и снова обеспечить уже более длительный контакт жидкого металла со стенками формы. В этих условиях механический пригар образоваться не может.

Если же в равных условиях заливают крупную толстостенную отливку, то образовавшаяся вначале корка вновь расплавится под действием теплоты затвердевающей отливки и жидкий металл войдет в контакт со стенками формы. Однако внедрение его в поры формы начинается не сразу, поскольку формовочные материалы подбирают так, чтобы они не смачивались жидким металлом.

В этих условиях, как известно, возникает капиллярное противодавление pk, противодействующее внедрению жидкости в капилляры. Кроме того, проникновению металла будет препятствовать сравнительно низкая температура формы. По мере прогревания стенок формы из формовочной смеси выделяются водяные пары и газы, создающие в порах газовое противодавление рr, которое также препятствует проникновению металла.

Когда же прилежащие к отливке слои формы нагреваются до температуры ликвидуса заливаемого сплава, проникновение неокисленного металла становится возможным. Для начала проникновения металла необходимо создать металлостатическое давление рм, которое должно быть равно или превосходить по величине сумму капиллярного и газового противодавления, т. е. для образования механического пригара необходимо выполнить условие:

pм = pк + рr.

Металлостатическое давление, при котором начинается проникновение расплава, называют критическим.

В холодной форме, если давление металла на стенку формы равно критическому, металл проникнет в поры формы на глубину не более половины диаметра зерна, т. е. на доли миллиметра. При прогревании поверхности формы металл, находясь под критическим давлением, будет проникать в глубь формы по мере распространения изотермы, соответствующей температуре плавления металла.

Если формовочная смесь смачивается жидким металлом, то последний проникает (всасывается) в поры формы без приложения к жидкому металлу внешнего давления. Проникновению способствует неизбежное окисление металла при выплавке и заливке, поскольку окислы смачивают формовочный материал.

Механизм образования

В общем виде механизм образования пригара может быть описан формулой Пуазейля, если рассматривать форму как пористое тело, состоящее из пучка капилляров диаметром 2r и длиной l (1):

где τ – продолжительность процесса;

η- вязкость промежуточного соединения;

p- давление, под которым это соединение проникает в поры формы;

Q- количество проникающего в капилляры смеси промежуточного соединения.

За время

прирост объема жидкости dQ в капилляре может быть выражен в виде

Тогда после постановки значения для dQ

Отсюда

или

Следовательно, за время τ промежуточное соединение вязкостью η проникает в капилляры диаметром 2r под давлением р на глубину l:

(1)

где

Пригар образуется, если промежуточное соединение проникает в форму на глубину l, превышающую радиус зерна r.

Поэтому необходимым, но еще не достаточным условием для устранения механического пригара является выраженное в критериальном виде условие

Приведем формулу (1) к такому же критериальному виду

Для уточнения формулы следует рассмотреть входящие в нее величины р, τ и η при условии, что свойства формы не изменяются во времени.

Приведение выражения к критериальному виду подчеркивает необходимость определения не глубины проникновения промежуточного пригарного слоя, а условий, обеспечивающих полное отсутствие механического пригара.

Давление р складывается из трех составляющих.

1. р1- статического давления жидкого металла на поверхности формы. Если высота слоя жидкого металла Н см, а плотность γ г/см³, то давление этого слоя составит

г/см² = кГ/см²

2. р2- противодавление газов в форме. Оно может быть положительными отрицательным; обычно принимается положительным как результат выделения газов формой при ее нагреве. Но противодавление может быть и отрицательным, если применять искусственный отсос газов из формы, например, при изготовлении крупных отливок; отсос должен применяться только после образования на поверхности отливки достаточно прочной корки затвердевшего металла. Непосредственные измерения показали, что давление р2 может дойти до 0,1 кГ/см2; при изготовлении низких отливок нельзя пренебрегать давлением газов.

3. ps-капиллярного давления:

При полном смачивании cos φ = 1 и радиусе зерна 0,1 мм это давление

может дойти до 0,2 кГ/см2, т. е. до величины, сопоставимой с металлостатическим давлением.

Таким образом, полное давление

или, в развернутом виде,

Существует еще давление от усадки металла на стенки формы, которое возникает после затвердевания отливки. Однако учесть это давление в настоящее время не представляется возможным. Между тем, оно имеет очень большое практическое значение.

Величина τ, характеризующая продолжительность процесса образования механического пригара, зависит от продолжительности пребывания металла в жидком состоянии, которая может быть связана с приведенной толщиной отливки R:

откуда

Для усредненных расчетов можно принять m=0,1. Продолжительность пребывания поверхности металла в жидком состоянии заведомо и значительно меньше продолжительности полного затвердевания отливки. Поэтому следует принять

Необходимо подчеркнуть, что в данном случае разбираются условия образования механического пригара. Химический пригар может образоваться значительно позднее, после полного затвердевания отливки.

Входящую в формулу (1) вязкость можно определить по упрощенной формуле в зависимости от температуры Т:

где ηн и ηт - вязкости при начальной и искомой температурах.. После подстановки полученных значений формула (1) приобретает вид

(2)

где Сз - эмпирически определяемый коэффициент.

Приведенная к критериальному виду формула может быть выражена в виде неравенства

(2)

Глубина проникновения пригарного соединения имеет подчиненное значение по сравнению с требованием создания условий, при которых это соединение не проникает на глубину, превышающую радиус зерна.

Из неравенства (1) следует:

1. На пригар оказывает очень большое влияние величина отливки, от которой зависит металлостатический напор и продолжительность образования корки на поверхности отливки. Поэтому целесообразно противопригарные мероприятия проводить с учетом размера отливок.

2. В слагаемом - формулы (1) поверхностное натяжение жидкого металла изменяется от 0,6 до максимум 1,5 г/см, cos φ от +1 до -1, радиус зерна-десятикратно. В целом это слагаемое заслуживает значительного внимания.