Литейные свойства сплавов

При заливке любых сплавов надо стремиться к тому, чтобы полость формы заполнялась спокойно, т. е. без разбрызгивания, без завихрений и непрерывно.

Разбрызгивание и сопровождающее его вспенивание расплава в полости формы означают сильное окисление расплава. Предотвратить это можно путем уменьшения линейной скорости заполнения формы, для чего надо правильно размещать питатели и не допускать резких сужений потока, а также ударов под прямым углом на стенки формы или стержня. Ни в коем случае нельзя допускать открытого завихрения.

Если форма заполняется в определенном направлении, нельзя допустить, чтобы некоторые ее части заполнялись в обратном направлении. Например, отливка заготовки шестерни на фиг. 37 заливается снизу, так что в ее венце металл поднимается с определенной скоростью до уровня I - I. Затем расплав начнет переливатьсяв тонкий диск, а потом уже в ступицу, в связи с чем в венце жидкий металл некоторое время будет находиться практически на одной высоте. Когда же заполнится нижняя часть ступицы, уровень расплава начнет медленно, подниматься,пока не заполнится горизонтальный диск, а затем будет подниматься быстрее.

Такой способ заполнения формы опасен по нескольким причинам:

а) нижняя часть ступицы заполняется расплавом сверху, так что здесь могут бытьмеханически захвачены пузырьки воздуха;

б) в толстостенной ступице могут образоваться ужимины (см. ниже), потому что расплав переливается в ступицу неравномерно и уровень при заливке «качается»;

в) пока уровень расплава в венце остается на той же высоте до заполнения нижней части ступицы, расплав охлаждается стенкой формы и на венце образуется горизонтальный холодный спай.

Вследствие этого желательно соединить венец, диск и ступицу хотя бы снизу формы ребром (на фиг. 37 показано пунктиром) или каналом, чтобы не допустить указанных дефектов.

4. САМОПРОИЗВОЛЬНАЯ ГРАВИТАЦИОННАЯ КОНВЕКЦИЯ

В. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ РАСПЛАВА И СРЕДЫ

Расплав во время заливки и после нее соприкасается с окружающей средой - с атмосферой и формой. Взаимодействие расплава и среды может быть: 1) тепловое, 2) физическое, 3) химическое, 4) механическое. Зависит оно от свойств обеих соприкасающихся сред - расплава и атмосферы, расплава и формы, от конфигурации границ и количества обеих сред, т. е. от конструктивных факторов. Свойства обеих соприкасающихся сред меняются во времени, вследствие чего изменяются и интенсивность воздействия во всех указанных случаях и их результаты.

1. ТЕМПЕРАТУРНОЕ ПОЛЕ ОТЛИВКИ И ФОРМЫ

Описанное явление имеет общий характер: конфигурация изотермы, направленная в глубь формы, такая же, как у элементарных тел (см. фиг. 38). Это происходит тем раньше и на тем меньшей глубине, чем меньше данное тело отличается по конфигурации от элементарного. В этом проявляется так называемый закон стабильности температурного поля. Данным законом можно объяснить тепловой эффект кромок, наружных и внутренних углов (см. ниже). У наружных кромок отливка остывает быстрей, чем у стенок, форма же - медленнее. Внутренние кромки дают обратный тепловой эффект. Еще более выразителен тепловой эффект наружных и внутренних углов.

На фиг. 40 виден тепловой эффект от внутренних и внешних кромок и его влияние на вид изотерм. И здесь в полной мере действителен закон стабильности температурного поля. Тепловой эффект внешних и внутреннихуглов больше, потому что направления максимального теплового потока (см. стрелки) расходятся от наружных углов и сходятся во внутреннем и в плоскости, перпендикулярной плоскости чертежа (на фиг. 39 не показано).

Для литейщика важнейшее значение имеют изотермы затвердевания, практически образующие границу между твердой и жидкой фазами в затвердевающей отливке (см. ниже). Затвердевание у внешних углов и кромок начинается раньше, у внутренних - поздней. Различие во времени начала затвердевания тем больше, чем меньше радиус закругления кромок и углов.

В действительности даже в элементарных телах температурное поле не бывает однонаправленным. Некоторые части формы заполняются сплавом раньше, а потомуи остывают раньше (фиг. 41). Направления наибольшего теплового потока изгибаются, оставаясь всегда перпендикулярными к изотермам.

Температурное поле отливки может быть «деформировано» разными специально предусмотренными или случайными выступами, например металлом, попавшим в трещины формы (фиг. 42). Большое ребро способствует ускоренному отводу тепла от данного места.

Температурное поле в протекающем сплавезависит от характера течения. В ламинарном потоке будет наблюдаться значительная температурная неоднородность в поперечном сечении, в турбулентном потоке этого не случится (см. фиг. 5, б), потому что расплав перемешивается. Рабочая поверхность формы, соприкасающаяся с ламинарным потоком, нагревается слабей, чем соприкасающаяся с турбулентным. Вследствие этого турбулентный поток размывает форму в существенно большей степени.

2. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ РАСПЛАВА С ОКРУЖАЮЩЕЙ
СРЕДОЙ

Выпущенный из плавильной печи расплав соприкасается и реагирует с атмосферой, ковшом и формой.

Тепловое воздействие окружающей среды на расплав, выпущенный из печи. От текущего расплава соприкасающаяся с ним атмосфера нагревается, в результате чего она приходит в движение. Поток расплава, наоборот, охлаждается от атмосферы - ламинарный сильней на поверхности, чем внутри, турбулентный же одинаково на поверхности и в середине вследствие перемешивания. Во время наполнения ковша заливаемый расплав передает свое тепло футеровке ковша. Чем больше емкость ковша, тем медленней остывает в нем расплав.

Зеркало расплава в ковше соприкасается со слоем шлака, который защищает его от быстрого охлаждения атмосферой. Если обнажить зеркало, расплав будет остывать быстрей.

Физическое воздействие окружающей среды на расплав, выпущенный из печи. Газы, парциальное давление которых в расплаве выше, чем в атмосфере, выходят из расплава в атмосферу. Наоборот, газы, парциальное давление которых в атмосфере выше, чем в расплаве, поглощаются последним. В обычных условиях, как правило, поглощается водород, причем тем более, чем выше температура расплава, чем больше поверхность потока и чем значительнее разница парциального давления водорода в атмосфере и расплаве. Значительную роль играет и содержание водяных паров в атмосфере.

На границе между потоком и атмосферой, будь то в ковше или в форме, существует поверхностное натяжение. Чем оно больше, тем медленней протекают физические и химические процессы между обеими средами.

Между расплавом и футеровкой ковша также происходят физические процессы, прежде всего диссоциация влаги из футеровки и поглощение водорода жидким металлом. Вот почему ковш должен быть хорошо просушен и прокален.

Химическое воздействие окружающей среды на расплав, выпущенный из печи [16]. Свободная струя расплава окисляется атмосферой тем сильней, чем выше его температура, чем больше поверхность струи и выше содержание Водяных паров в атмосфере. Некоторые из образующихся при этом окислов растворяются в расплаве, например Cu₂O в меди, FeO в стали и т. п., другие образуют на поверхности струи окисные плёны (окислы трехвалентных металлов и металлов с более высокой валентностью), предохраняющие внутреннюю часть струи от дальнейшего окисления.

Ламинарный поток всегда окисляется только с поверхности (это относится к растворимым и нерастворимым окислам). В нем создается поэтому различное содержание элементов (см. фиг. 5, в слева). В турбулентном потоке, содержащем растворимые окислы, химический состав практически одинаков по всему сечению в результате перемешивания. Турбулентный поток с окисными плёнами при повышенном числе Re разрывает плёны и увлекает их обломки внутрь потока. Эти обломки попадают в отливку; они представляют собой крупные неметаллические включения, обычно окислы алюминия или хрома. Причиной дальнейшего окисления расплава может явиться также сырой ковш или сырая футеровка (в частности, сырой стопорный стакан), а также другие предметы, касающиеся жидкости.

Вторичное или добавочное окисление расплава атмосферой может быть весьма опасным, особенно при отсутствии избытка раскисляющих присадок, выбранного с учетом степени вторичного окисления.

Особое положение занимает сплав магния, так называемый электрон. Расплавленный магний в соприкосновении с воздухом горит, поскольку магний обладает высоким сродством с кислородом. Вследствие этого зеркалорасплава защищают соляным покровом. Свободную струю сплава электрон, вытекающую из тигля в форму, также защищают инертной атмосферой SO₂, распыляя вокруг струи серный цвет.

Механическое воздействие окружающей среды на расплав, выпущенный из печи. Циркуляция воздуха вокруг свободной струи усиливает процессы между обеими средами. В случае плохой футеровки дна ковша падающая свободная струя может размыть футеровку или подплавить ее. Циркуляция воздуха вызывается также его нагревом от зеркала металла в ковше и от шлакового покрытия.

Взаимодействие расплава и формы

Тепловое воздействие расплава на форму. Заполняющий форму расплав отдает тепло форме частично при помощи конвекции, частично путем излучения и частично посредством теплопроводности. Тепловая нагрузка может приводить к созданию напряжений в форме и к разрушению части ее рабочей поверхности.

Термические напряжения в песчаной форме [1, 17]

Уже при заливке в форме создается неоднородное температурное поле. Рабочая поверхность формы нагревается сильно от соприкасающегося или излучающего расплава, более отдаленные слои совсем не нагреваются или нагреваются поздней. Большинство литейных форм изготовляютиз смесей, зерновойосновой которых служит кварцевый песок, подверженный расширению в процессе аллотропического превращения при повышении температуры (фиг. 4З).

Особенно опасна стадия быстрого расширения перед достижением температуры 575°.

Наиболее нагретая рабочая поверхность формы сильнее и расширяется, ненагретые же ее части не расширяются. В связи с этим в форме возникают термические напряжения: холодные части формы не дают нагретой поверхности свободно расширяться, и поэтому на поверхности возникают сжимающие напряжения, а в остальной массе формы - небольшие растягивающие напряжения, распределяющиеся по большой толщине. Сжимающие напряжения в поверхностном слое формы во столько раз выше растягивающихнапряжений, во сколько раз нагретыйслой тоньше остальной части формы.

Песчаная форма обладает пористостью, вследствие чего отдельные зерна песка при нагреве сначала могут расширяться, не вызывая расширения рабочей поверхности формы в целом. Только когда зерна расширятся так, что вокруг них не останется свободного пространства, они при дальнейшем повышении температуры создадут сжимающие напряжения в поверхностном слое формы. Первый период можно назвать стадией «микродилатации», второй - «макродилатации». Напряжения возникают только в период макродилатации, и поэтому в литейной практике стремятся удлинить период микродилатации за счет периода макродилатации. Достигнуть этого можно более слабой набивкой поверхности формы или пользуясь связующими, которые способствуют размягчению поверхности при нагреве (смолы, сахариды), или же связующими, которые при нагреве выгорают и улетучиваются (масла). Иногда вводят волокнистые добавки (льняные очесы, мякина и др.), которые во время сушки выгорают, оставляя свободное пространство между зернами.

Эффективным средством снижения напряжений могло бы оказаться применение зерновой основы с нулевым или незначительным тепловым расширением, такой, как оливиновый песок, обожженный хромомагнезит и т. п. Высокая стоимость этих материалов ограничивает их применение лишь термически сильно нагруженными формами крупных отливок.

Зерновая основа с высокой теплопроводностью, например магнезит, хромомагнезит и т. п., препятствует созданию такого резкого температурного градиента, который наблюдается в форме из смеси на основе кварцевого песка при той же тепловой нагрузке.

Образование ужимин и подобных дефектов

Когда нагретый поверхностный слой отделится от остальной формы, образуется пузырь [18]. Этот пузырь может появиться лишь в том случае, если со стороны полости формы на ее поверхности не действует соответственно большое давление, как правило гидростатическое,т. е. пока сплав не заполнитокончательно данное место формы.

Наиболее склонна к образованию пузырей та часть формы, куда жидкий металл поступает позднее, т. е. верхняя полуформа. Влияние условий на качество поверхности отливки видно из фиг. 44. Рассмотрим примеры:

1. Тотчас же при образовании пузыря поднявшийся жидкий металл давит на отставший слой формы и вдавливает его в прежнее положение. В этом случае отливкане будет иметь дефектов на своей верхней поверхности. Если же давление жидкого металла, заполняющего форму, запоздает, пузырь при нагреве растянется так, что уже под давлением металла не вернется в начальное положение. В этом случае на поверхности отливки окажется мелкое углубление (фиг. 44, а, правая сторона, пунктирная линия).

2. Продолжительное действие теплового излучения от поднимающегося зеркала жидкого металла приведет к тому, что пузырь вздуется и слой формы треснет. Поднявшийся жидкий металл устремится в трещину и частично затечет в нее (фиг. 44, б). Однако одновременно под давлением металла лопнувший пузырь поднимется вверх, так что большее количество металла не сможет протечь, потому что трещина закроется. Но гидростатический напор уже не сможет вдавить пузырь в исходное положение, потомучто этому будет препятствовать металл, затвердевший в трещине. На отливке появится мелкое углубление с продольным выступом металла - жилкой. Подобные дефекты и называют жилками или, по предложению Л. Петржелы, «крысиными хвостами».

3. Жидкий металл поднялся к лопнувшему пузырю, когда трещина была большая, так что часть сплава затекла в нее (фиг. 44, в). Хотя под действием напора сильно отставшие части поверхностного слоя поднимутся, но вернуться в прежнее положение они не смогут, так как этому воспрепятствует затвердевший металл, проникнувший в трещину. Образуется классическая ужимина (фиг. 45), которую можно узнать по слою формовочной смеси под ней, обнаруживаемому при подрубке ужимины с краев.

Верхняя поверхность ужимины определяется плоскостью трещины в форме.

4. При длительном действии теплового излучения от зеркала расплава, например в случае медленного подъема расплава в форме или при большой высоте отливки с развитой поверхностью, отставшие части поверхностного слоя формы могут разрушиться под действием собственного веса и упасть на зеркало расплава (фиг. 44, г). Эти обломки будут вынесены на верхнюю поверхность, но, как правило, не точно в то место, откуда они упали. В результатена отливке появляются наросты, а также песочные включения. Возможно появление комбинированного дефекта - нароста и песочных включений одновременно.

5. В этом случае наряду с ужиминой (слева) имеются и комбинированные дефекты: нарост + песочные раковины (фиг. 44,д).

Ужимины могут возникать также, если в соприкосновении металла с формой имеются перерывы, чему обычно способствует неправильная техника заливки. Когда расплав коснется поверхности формы, он ее сильно нагреет. Если расплав будет непрерывно давить на поверхностьформы, пузырей не образуется. Но если давление расплава в данном месте прервется и обнажатся нагретые ранее части, то образуется пузырь, который может привести к одному из указанных выше дефектов. Так образуютсяужимины на нижних и боковых стенках отливки.

Влияние основных факторов на образование ужимин

Материал отливки. Сплавы с высокой температурой заливки и с высоким коэффициентом лучеиспускания (например, сплавы железа) весьма склонны к образованию ужимин. У отливок из алюминиевых сплавов, имеющих низкую температуру плавления, ужимины не появляются. Сплавы железа с плёнами на поверхности излучают тепло менее интенсивно и поэтому менее склонны к образованию ужимин, чем сплавы железа без плён.

Форма и техника заливки. Образованию ужимин способствует высокое тепловое расширение зерновой основы, сильно уплотненная поверхность формы, отсутствие добавок, увеличивающих интервал микродилатации, малая прочность формы при соответствующих температурах и малая теплопроводность зерновой основы. Эти условия определяют и надлежащие меры, предотвращающие появление ужимин.

Если нельзя обеспечить большого периода микродилатации (расширение материала формы за счет пор) и еслиформа имеет развитую рабочую поверхность, можно в поверхностном слое устроить щели, заполненные податливым материалом, например сухим песком, который позволитрасшириться отдельным частям формы (т. е. будет обеспечена возможность макродилатации).

Малая скорость подъема зеркала расплава в песчаной форме невыгодна, как и малая весовая скорость заливки. Если зеркало расплава облучает сырую форму дольше 15 сек, а сухую - дольше 40 сек, отливки могут получиться с ужиминами и близкими им дефектами. Это критические времена облучения. Особенно неблагоприятныгоризонтальные плоские части отливки.

Заливка в наклонном положении (фиг. 46) с соответствующей большой скоростью служит весьма эффективным средством против ужимин. Зеркало сплава поднимается быстрей, а излучаемое им тепло переносится на все новые участки «потолка» формы. Ни один участок потолка не нагревается дольше критического времени.

Конструкция отливки. Конструкция отливки, точней конфигурация полости формы, должна препятствовать прерывистому заполнению расплавом.

На фиг. 47 приведены примеры разной вероятности образования ужимин на отливках в зависимости от потолка формы. Легче всего ужимины образуются в случае в, т. е. на вогнутой поверхности отливки, менее легко - в случае а и совсем не образуются в случае б, когда поверхность отливки выпуклая.

Тепловой пригар

Чем дольше протекает расплав по определенному участку формы, тем сильнее прогревается поверхность формы и тем медленней остывает расплав. Расплав агрессивно действует на поверхность формы тем дольше, чем большее время он сохраняется в жидком состоянии на поверхности контакта. Этот период фр (стадия перед затвердеванием) зависит от следующих основных факторов:

1)материала отливки. Чем выше с, W, температура заливки и чем ниже температура затвердевания (малая разница в температурах между расплавом и формой), тем больше ф_р;

2) формы и техники заливки. Чем меньше теплопроницаемость формы b_ф, чем дольше протекает расплав по данному участку и чем больше степень протекаемости металла¹¹⁾Под степенью протекаемости автор понимает количество металла, протекшего через исследуемое поперечное сечение. Через различные сечения протекает различное количество металла, что оказывает влияние на взаимодействие расплава с формой.⁾ тем выше ф_р;

3) конструкции отливки. Наименьший период ф_р при прочих равных условиях у внешних кромок и узлов, наибольший - у внутренних. Чем толще стенка отливки, тем больше ф_р.

Тепловой пригар основан на оплавлении легкоплавких составляющих в форме, например щелочей, смол и др., под действием высокой температуры сплава. Эти вещества пригорают к поверхности отливок, очистка которых затрудняется. Отливки в металлических формах получаются без теплового пригара.

Защитные меры против теплового пригара под действием спокойно протекающего расплава сводятся к следующему:

1) сокращать период ф_р, например, путем охлаждения внутренних кромок и углов (см. ниже);

2) избегать слишком высокой температуры заливки;

3) рационально разветвлять литниковую систему (понизить степень протекаемости);

4) облицовывать стержнями сильно разогреваемые сплавом участки металлической формы;

5) выбирать формовочную смесь для данного сплава без легкоплавких составляющих (смесь для стального и чугунного литья не должна содержать более 3% смол);

6) находить подходящие конфигурацию полостей, по которым протекает расплав, и толщину отливки.

Эти меры имеют особое значение только для сплавов с высокой температурой заливки, которые чрезмерно нагревают поверхность формы.

Физическое взаимодействие расплава и формы. В результате взаимодействия расплава и формы в отливках могут появиться газовые раковины как внешнего, так и внутреннего происхождения.

Отливки с экзогенными газовыми раковинами внешнего происхождения

Механизм образования газовых раковин внешнего происхождения. В нагретых участках из материала формы и стержней выделяются газы и пары, которые в форме или стержне перемещаются из областей более высокого давления в области более низкого давления. Температурное поле создает неоднородное силовое поле, или поле давления, которое изменяется не только при изменении температурного поля, но и при появлении продуктов газообразования. Когда давление газов и пара Р в некотором месте рабочей поверхности формы превысит сопротивление W, представляемое гидростатическим давлением жидкого металла и поверхностным натяжением, газы и пары будут проникать из формы в отливку до тех пор, пока будет сохраняться неравенство

Это будет продолжаться только до затвердевания поверхностной корки, представляющей непреодолимую преграду для проникания газов и паров в отливку; с этого момента W>Р. Не все газы и пары застрянут в отливке. Те из них, которые проникли в самом начале, всплывут из расплава и смогут опять попасть в форму. Только тогда, когда на верхней поверхности начнет затвердевать корка, газовые включения будут застревать в отливке.

Газовые раковины, вызванные этими внешними для металла причинами и называемые поэтому экзогенными, распознаются по окисленной поверхности. Экзогенные газовые раковины могут возникнуть при условиях, способствующих созданию высокого давления газов и паров, низкого сопротивления, а также большой длительности периода ф_р.

Созданию высокого давления газов способствуют следующие факторы.

Материал отливки: высокая температура заливки; высокая температура плавления.

Форма и стержни: высокое содержание газообразующих фракций; высокая влажность смеси; плохая вентиляция формы или стержня; отсутствие поджога газов, выделяющихся при заливке.

Конфигурация: высокое отношение омываемой металлом поверхности формы или стержня к объему соответствующей части формы или стержня; впадины и внутренние углы, где выше давление газов, чем в других местах, и больше период ф_р.

Низкое сопротивление может явиться результатом слишком газопроницаемой рабочей поверхности формы и более сильно уплотненных отдаленных частей формы или стержня (т. е. результатом неправильного градиента уплотнения).

Из анализа неблагоприятных условий можно установить необходимые меры предупреждения газовых раковин в отливках.

Типы газовых раковин внешнего происхождения от формы и стержней. Газовые раковины под верхней затвердевшей коркой относительно велики и располагаются отдельно и гнездами (фиг. 48, а). Газовые включения, застрявшие в «теплом» месте, имеют различные размеры (фиг. 48, б). До тех пор пока во время затвердевания в теплой части (затвердевает более поздно) образуется усадочная раковина (см. ниже), газы могут проникнуть в эту часть через еще кашеобразный расплав. Это происходит вследствие того, чтов образующейся усадочной раковине создается разрежение, в теплом же выступе формы или стержня одновременно существует избыточное давление. Такой вид дефекта называют газоусадочной раковиной (фиг. 48, в).

Если отношение Р/W не слишком превышает 1, мелкие газовые включения проникнут лишь в поверхностные слои отливки, не проникая в саму отливку. В таких случаях образуются точечные газовые раковины (фиг. 48, г), которые находятся неглубоко, имеют сравнительно одинаковые размеры и в большинстве случаев выходят на поверхность отливки. Точечные газовые раковины, получающиеся от формы и стержней, следует отличать от эндогенной ситовидной пористости (см. ниже).

Если отливку из железного сплава получают в сырой форме из естественной смеси с малой газопроницаемостью, на поверхности отливки быстро образуется металлическаякорка. Эта корка достаточно прочна, чтобы через нее из формы не проникали газы, но она способна прогибаться под их давлением в разных местах. В таких случаях на поверхности отливки образуются мелкие впадины - оспины (фиг. 48, д). Подобные дефекты получаются у стальных отливок в невысушенных формах из жирного природного песка.

Газовые раковины от наружных холодильников и кокилей. Наружный металлический холодильник газонепроницаем и быстро охлаждает поверхностный слой сплава, затвердевающий вследствие этого почти мгновенно. Если поверхность холодильника будет влажной или если она будет такой холодной, что на ней образуется роса, то давление газов и паров может стать настолько большим, что затвердевшая перед этим корка на отливке прогнется или даже прорвется. В таких случаях отливка может получиться с газовыми раковинами. При этом имеет значение взаимное положение наружной поверхности холодильника и захолаживаемой части отливки. При вертикальной поверхности контакта нет особой опасности появления газовых раковин в отливке, потому что газы и пары могут выйти между отливкой и холодильником. Горизонтальное положение поверхности контакта в этом смысле менее благоприятно. Вследствие этого на поверхность холодильников надо наносить защитные покрытия, иногда же приходится делать холодильник перфорированным, заполняя отверстия газопроницаемым песком и т. п.

Сказанное о холодильниках справедливо во многих отношениях и для металлических форм кокилей. Но здесь, кроме того, требуется:

1) не увеличивать чрезмерно тепловую нагрузку кокиля, чтобы не снизить его стойкость;

2) применять окраску, которая защищала бы кокиль, но не способствовала образованию газовых раковин в отливках;

3) экспериментально устанавливать правильную исходную температуру кокиля;

4) в соответствии с предыдущими факторами выбирать такую скорость заливки, чтобы влага из покрытия успевала испаряться перед повышающимся уровнем сплава.

Образование экзогенных газовых раковин внутри отливки

В полость формы закладывают некоторые металлические и неметаллические предметы - внутренние холодильники, жеребейки и т. п. Иногда в нее попадают разбрызганные капли металла, обломки формы или стержней и т. п. Все это служит источником образования газов, происходящего на этот раз внутри отливки.

Поскольку эти предметы при заливке практически полностью окружены сплавом, в отливке легко образуютсягазовые раковины, особенно когда на предметах имеются следы влаги, жира, ржавчины, окалины. Поэтому поверхность внутренних холодильников и жеребеек лудят или меднят, чтобы избежать их контакта с влагой и жиром.

Газовые раковины, обусловленные воздействием ржавчины, влажности и жира, имеют окисленную поверхность, раковины же от окалины - глянцевитую, потому что они возникают в результате химической реакции с образованием СО:

Тем же путем идет образование газовых раковин от разбрызганных капель, потому что их поверхность сильно окислена.

При внутреннем захолаживании крупных стальных отливок пользуются многочисленными относительно большими холодильниками. Здесь приходится ограничиться тщательной очисткой холодильников струей абразива. Холодильники в виде стержней надо ставить вертикально или почти вертикально, чтобы газ мог всплыть вверх. Желательно при этом заострить верхний конец стержня-холодильника, чтобы газ отрывался и не попадал в отливку (фиг. 49).

Описание эндогенных пузырей будет дано ниже.

Химическое взаимодействие расплава и формы. Выпущенный из печи расплав обычно содержит твердые окислы - продукты раскисления. Соприкасаясь с атмосферой и с формой, особенно сырой, расплав снова поглощает кислород.

Если основной элемент сплава имеет сильное сродство с кислородом, происходит бурное окисление - горение. Такое явление наблюдается со сплавам магния - электроном. Здесь надо создать в форме инертную среду, для чего в смесь вводят серный цвет, а рабочую поверхность формы припыливают порошкообразным серным цветом. При заливке серный цвет сгорает в SO₂, который создает в форме инертную атмосферу. Не будь в форме инертной атмосферы, отливка во многих местах сгорела бы в белый порошок - окись магния.

Окружающая среда действует окислительно и на другие сплавы, но в меньшей степени, чем на магний. Это может быть причиной появления в отливках эндогенных газовых раковин (см ниже). Слой окислов обезвреживается, как было показано выше.

Химическое взаимодействие расплава с формой наблюдается при выполнении следующих условий: а) наличия химического сродства между компонентами расплава и поверхностного слоя формы; б) относительно высокой температуры на поверхности контакта расплав - форма и в) осуществления контакта в течение определенного времени.

1. Химический характер некоторых окислов, образующихся в результате дополнительного окисления сплава, может отличаться от характера веществ, содержащихся в формовочной смеси. Например, FeO, растворенная в стали, имеет слабоосновный характер, зерна же песка SiO₂ - слабокислый. Оба эти вещества реагируют между собой с образованием силиката - фаялита 2FeOSiO₂, температура плавления которого ниже, чем у кремнезема и стали. На поверхности отливки образуется химический пригар -- слой фаялита, обволакивающего зерна песка, которые не имели возможности полностью прореагировать, потому ли, что не были выполнены условия «б» и «в», относящиеся к форме и конструкции отливки, или же из-за своего относительно большого размера. Во всяком случае, поверхность отливки с таким пригаром очень трудно обрабатывать.

Плохо раскисленная сталь содержит при заливке значительное количество FeO, которая жадно реагирует с SiO₂ формы еще и потому, что сталь при этих условиях сильно смачивает форму.

Чем выше основность содержащихся в стали окислов, тем сильней они реагируют с песчаной смесью. Так, например, у стали Гадфильда с 12% марганца в результате окисления образуется много окиси марганца MnO, более основной, чем FeO, и способствующей очень сильному химическому пригару. Здесь уже недостаточна только высокая степень раскисления стали, а требуется и форма надлежащего химического состава, которая не реагировала бы с окислами сплава. Обычно формовочную смесь приготовляют на магнезитовой зерновой основе. Это, разумеется, необходимо при невыполнении условий «б» и «в». Отливки из стали Гадфильда получаются без пригара также при использовании песчаномасляных стержней, потому что при заливке из стержней выделяются продукты горения восстановительного характера, препятствующие образованию MnO.

2. Химический пригар появляется только на отливках из сплавов, заливаемых с высокой температурой, при которой могут образоваться жидкие силикаты. Это относится к отливкам из стали, в меньшей степени к чугунам.

3. Если выполнены условия «а» и «б», химического пригара может и не быть при недостаточной длительности периода ф_р. Вследствие этого тонкостенные отливки из стали Гадфильда получаются без химического пригара, даже если плохо раскисленную сталь заливают в форму из кварцево-песчаной смеси. Наружные кромки и углы обычно бывают без пригара и у толстостенных отливок, на внутренних же получается более сильный пригар. Для отливок со средней толщиной стенок, т. е. от 50 до 100 мм, часто можно пользоваться формами из кварцево-песчаной смеси, однако с покрытием из краски или обмазки основного характера, например магнезитовым.

Механическое взаимодействие сплава и формы. К этой категории взаимодействий сплава и формы относятся захват струей при заливке воздушных пузырей и различных загрязнений, а также механический пригар и влияние гидростатического давления при заполнении литейной формы.

Механический унос и захват загрязнений

Еще до входа в литниковую систему несплошная струя расплава может механически увлекать воздушные пузыри (с окисленной поверхностью), которые располагаются в отливке близко от верхней поверхности. Эту опасность легко предупредить, тщательно очищая стакан стопорного ковша от сосулек при заливке стали или носок ковша от настылей при заливке чугуна и цветных сплавов.

В самой полости формы могут остаться пузырьки воздуха, не успевшие выйти из-за большой скорости подъема уровня расплава. Поэтому скорость заполнения формы расплавом должна быть меньше возможной скорости выхода газов из полости формы, чему способствуют надлежащим образом расположенные выпоры. Наиболее высокое место у отливки должно представлять собой точку или линию, но ни в коем случае не горизонтальную плоскость. При этом условии можно правильно разместить выпоры; иногда допустимы специальные припуски на теле отливки для газовых раковин и других загрязнений. Эти припуски снимаются с отливки вполне удовлетворительно. Если нельзя избежать больших горизонтальных поверхностей, формы следует заливать в наклонном положении, а выпоры ставить только в самом высоком месте полости.

Газы могут не выйти из выпора, если в него преждевременно попадет сверху расплав и затвердеет в нем. Поэтому выпор должен иметь соответствующие размеры, и при заливке через него следует «перепустить» расплав. С той же целью можно несколько расширить его верхнюю часть (фиг. 50).

При заливке расплав размывает форму в местах большого динамического напора. Рабочая поверхность формы теряет прочность и с нее срываются частицы песка, уносимые потоком; в некоторых местах отливки образуются наросты. Часто при литье по-сырому в отливке встречаются наросты и песочные раковины. Необходимо не допускать возникновения первичного дефекта - наростов, которые сами по себе достаточно опасны. Для этого участки рабочей поверхности формы, подверженные сильному давлению протекающего расплава, облицовывают шамотными плитками, иногда всю литниковую систему выполняют в шамотных трубках, заделываемых в форму.

Механический пригар

Механический пригар образуется во время заливки и после нее в течение всего периода т. Он представляет собой механическое проникновение расплава между песчинками на поверхности формы и стержней. Называют этот дефект также «прониканием». Следующие факторы определяют склонность к образованию механического пригара.

Свойства расплава. Опасность образования механического пригара тем больше, чем меньше вязкость расплава и чем выше удельная теплоемкость, теплота кристаллизации и температура заливки, т. е. чем вышеперегрев и удельный вес (отудельного веса зависит гидростатическое давление расплава).

Расплав и форма. При низком поверхностном натяжении на границе расплав - форма расплав капиллярно втягивается в поры между зернами песка на рабочей поверхности формы.

Форма. Большой размер пор между зернами песка ислабое уплотнение формы ведут к механическому пригару. В том же направлении влияет и низкая тепловаядиффузия формы, так как при этом удлиняется период ф_р.

Конструкция отливки. Высокие отливки с большой относительной (приведенной) толщиной стенок очень подвержены механическому пригару во внутренних углах и карманах.