CC BY
161
ЛИТЕЙНОЕ ПРОИЗВОДСТВО
УДК 621.743 Илларионов И.Е.
ПУТИ УЛУЧШЕНИЯ КАЧЕСТВА ОТЛИВОК
Аннотация. Рассмотрены некоторые вопросы улучшения качества отливок из черных и цветных металлов и сплавов. Даны рекомендации по применению формовочных песков, связующих и противопригарных покрытий. Ключевые слова: дефекты отливок, кварцевые пески, термостойкость, свойства смесей и покрытий.
Выбор технологических мероприятий, направленных на повышение чистоты поверхности отливок, зависит от конкретных условий производства. Особую сложность представляет получение отливок с чистой поверхностью в условиях массового производства. В связи с большой номенклатурой изготавливаемых отливок, значительно отличающихся по конструкции, склонности к образованию дефектов, практически невозможно разработать такое технологическое мероприятие, которое позволило бы получать отливки различных категорий без поверхностных дефектов [1-25].
По исследованиям П.П. Берга особенно большое влияние на склонность отливок к образованию дефектов оказывает материал формы.
Одним из путей повышения качества отливок является применение химически инертных, с высокой теплоаккумулирующей способностью формовочных материалов, таких как циркон, оливин, шамот, хромомагнезит, магнезит и другие. Однако указанные материалы получают путем сложного и дорогого передела, поэтому применение их может быть оправдано только в тех исключительных случаях, когда другими способами не удается получать отливки достаточно высокого качества [1-10].
Второй, наиболее распространенный путь - применение кварцевых формовочных материалов. В этом случае свойства кварцевых формовочных смесей улучшают введением специальных добавок. В практике литейного производства получили распространение следующие добавки: окислители, основные оксиды различных металлов, углеродистые материалы и другие.
Третий путь - применение связующих органического и неорганического происхождений.
Отсутствие сравнительных данных по чистоте поверхности чугунных и стальных отливок, изготовляемых с применением добавок органического и неорганического происхождения, и противоречивые мнения по механизму влияния углеродистых добавок послужили основанием для проведения дальнейших исследований.
Одним из основных недостатков отливок, изго-
© Илларионов И.Е., 2016
товляемых в песчаных формах, как самых распространенных в литейном производстве, является пригар. Проблема получения отливок с чистой поверхностью постоянно находится во внимании российских и зарубежных исследователей. Существенный вклад в теорию и практику вопроса внесли российские ученые П.П. Берг, П.Н. Бидуля, Ю.П. Васин, К.И. Ва-шенко, К.Н. Вдовин, С.П. Дорошенко, И.В. Валисов-ский, П.А. Борсук, А.И. Евстигнеев, С.С. Жуковский, П.Ф. Василевский, Б.Б. Гуляев, А.А. Горшков, И.Е. Илларионов, Б.А. Кулаков, В.М. Колокольцев, И.О. Леушин, И.Б. Куманин, А.М. Михайлов, В.И. Никитин, П.В. Черногоров, В.М. Александров, Д.Н. Холмогоров, А.М. Рыжиков и многие другие.
Пригар является результатом сложных физико-химических процессов, протекающих на границе соприкосновения металла с формой. По существующим научным представлениям пригар имеет две фазы: механическую и химическую [6-7]. Механическая фаза пригара связана с проникновением жидкого металла в поры формы, в результате которого зёрна песка образуют прочное сцепление с поверхностью отливки. Для уменьшения проникновения металла в поры формы необходимо применять мелкозернистые формовочные материалы, повышать уплотнение формы, снижать ферростатическое давление, температуру заливки металла и т.д.
Химическая фаза пригара связана с реакциями на границе металла с формой и образованием сложных силикатных соединений, вызывающих сцепление отливки с формой. Направленность и характер реакций будет в значительной степени определяться составом смесей и свойствами добавок [1-7].
Научные представления о наличии механической и химической фаз пригара позволяют классифицировать многочисленные факторы по характеру их действия на две основные группы:
1) определяющие проникновение жидкого металла в поры формы;
2) оказывающие влияние на химические процессы между металлом и формой.
Реакции, протекающие на границе раздела металл-форма, вызывают химическую фазу пригара, образование которой объясняется двумя теориями: кристаллохимической и физико-химической.
Согласно кристаллохимической теории увеличение стекловидной фазы в затвердевшем силикате приводит к уменьшению пригара. Эта теория выдвинута в связи с концепцией, объясняющей возникновение сил связи пригарной корки с отливкой и ориентировкой фаз образования пригара.
Физико-химическая теория объясняет пригар возникновением сил связи между ионами на границе соприкосновения фаз. Действие различных добавок в формовочные и стержневые смеси объясняется изменением сил связи между ионами. Указанные теории образования химической фазы пригара на отливках, дополняя друг друга, рассматривают влияние сложных физико-химических процессов на формирование сил связи пригарного вещества с отливкой.
Борьба с пригаром может вестись в двух принципиально различных направлениях: ослабление или усиление окислительных процессов на границе отливки с формой.
Первое направление реализуется на практике двумя путями:
1) введение в кварцевую песчаную смесь углеродистых материалов, увеличивающих содержание восстановительных газов в форме и способствующих образованию пироуглерода с высоким содержанием летучих веществ.
Этот путь широко используется при изготовлении чугунных отливок;
2) применение химически инертных, тугоплавких, высокотеплопроводимых материалов при изготовлении стальных и чугунных отливок.
Второе направление - усиление окислительных процессов - основано на образовании корочки пригара, легко отделяющейся от поверхности отливки (что характерно при применении металлофосфатных холоднотвердеющих смесей (ХТС), отверждаемых же-лезомагний, - кальцийсодержащими отходами элек-тросталеплави-льного производства).
В процессе заливки жидкий металл неизбежно окисляется, если заливка проводится в обычных условиях. Окисление происходит по свободной поверхности жидкого металла при поступлении ее в полость формы.
Обычно в первый момент капиллярные силы противодействуют проникновению жидкого металла в поры литейной формы или стержня. Вместе с тем в процессе заливки продолжается дополнительное окисление жидкого металла за счет газовой фазы, образующейся в полости литейной формы.
Увеличение окислительной способности поверхности жидкого металла уменьшает величину критического давления и способствует проникновению жидкого металла в поры литейной формы. Одновременно при заливке происходит увеличение металлостатиче-ского давления.
Жидкий металл с повышенным содержанием кислорода в поверхностных слоях под действием капиллярного и металластатического давлений с доста-
точно высокой скоростью (> 10 мм/с) проникает в поры литейной формы и стержня. Глубина проникновения определяется способностью струек жидкого металла сохранять жидкотекучесть в зависимости от температуры прогрева жидкого металла, химического состава сплава, толщиной стенки отливки, размерами и конфигурацией поровых каналов и другими факторами.
Механизм действия углеродосодержащих добавок в смесях при высокой температуре представляется следующим образом:
1) обволакивание зерен углеродистым веществом с образованием полукокса, что создает механическое препятствие проникновению жидкого металла в поры литейной формы вследствие уменьшения смачиваемости и размера пор. Этим же объясняется получение чистой поверхности отливок с применением стержней и форм, изготовленных на основе связующих органического происхождения, выгорание которых протекает в пределах 150 - 400 0С;
2) образование в порах и полости формы над зеркалом жидкого металла газовой фазы с высоким содержанием летучих веществ. Протекание 1 и 2 стадий идет одновременно;
3) соприкосновение жидкого металла с зернами кварцевого песка, частично или полностью покрытыми углеродистым веществом;
4) превращение полукокса в кокс с дополнительным выделением углеводородсодержащих газов;
5) отложение твердых частиц пироуглерода на зернах песка, частично или полностью покрытых кварцевым песком;
6) окисление пироуглерода;
7) взаимодействие оксидов металла, формовочной и стержневой смеси с образованием силикатов различного состава.
В случае применения металлофосфатных (алюмохромфосфатного, алюмофосфатного, алюмо-железохромфосфатного, магнийфосфатного, маг-нийалюмофосфатного, боралюмофосфатного) и других связующих, отверждаемых железосодержащими отходами сталеплавильного, ваграночного, прокатного и других производств в ХТС в литейной форме протекают физико-химические процессы, приводящие к образованию легкоотделимого пригара, механизм действия которых объясняется следующим образом.
Взаимодействие жидкого металла (чугуна, стали, цветных металлов и сплавов) с литейной формой и образование пригарного вещества (силикатов) протекает стадийно:
1) механическое проникновение жидкого металла в поры литейной формы в основном за счет капиллярного и металлостатического давления, высокой температуры жидкого металла;
2) окисление поверхности отливки и проникших прожилок металла;
3) силикатообразование 2FeO - SiO2 (фаялит);
4) образование на поверхности отливки нулевой
ЛИТЕЙНОЕ ПРОИЗВОДСТВО
зоны, преимущественно состоящей из оксидов железа и переход FeO - Fe2 Оз - Feз О4 [1-7].
Образующие оксиды железа частично или полностью растворяются в силикате, частично накапливаются на границе отливки и пригарной корки. Благодаря повышенному содержанию оксидов железа силикат при затвердевании преимущественно образует кристаллическую фазу. В межзерновом пространстве по микротрещинам и поверхности пор вюстит превращается в магнетит. Указанное превращение происходит с увеличением объема и вызывает рост напряжений, дающих микротрещины в контактном слое. Этому способствует наличие в железистом силикате разнородных структур с преобладающим количеством кристаллических фаз. Благодаря развивающимся усадочным процессам возникающие микротрещины раскрываются, что приводит к легкому отделению пригарной корки от отливки.
В связи с вышеизложенным применяемые органические и неорганические связующие, а также добавки, обеспечивающие получение отливок без пригара, должны:
1) обладать достаточной окислительной способностью;
2) повышать основность и окислительный потенциал газовой фазы;
3) образовывать силикаты, обладающие высокой реакционной способностью к прожилкам металла;
4) обладать малой вязкостью, высоким поверхностным натяжением, адгезионной и когезионной прочностью, а также высокой термостойкостью и низкой газотворной способностью;
5) не ухудшать технологические свойства смеси, быть нетоксичными и недефицитными материалами, иметь длительный срок хранения.
Вышеперечисленным требованиям вполне удовлетворяют применяемые металлофосфатные связующие, разработанные на кафедре материаловедения и металлургических процессов Чувашского государственного университета.
В свете поставленных задач проводятся наши исследования в лаборатории теории и технологии литейных процессов по применению металлофосфатных связующих и отходов металлургического, литейного и других производств. Несомненно, выполненные исследования являются лишь первыми робкими шагами в области теории и технологии литейного производства. Предстоят большие задачи всестороннего и тщательного изучения влияния металлофосфатных связующих и смесей на качество отливок.
Разработка и внедрение жидконаливных металло-фосфатных смесей, применение металлофосфатных связующих для изготовления стержней в нагреваемой и обычной оснастке, для пропитки форм и стержней, получения керамических форм и точного литья, противопригарных и теплоизоляционных покрытий, футеровок ковшей и плавильных, термических печей и в других аспектах представляют для литейного производства
большое теоретическое и практическое значение [5-10].
Список литературы
1. Илларионов И.Е., Шаршаков И.М. Демпфирующие материалы: монография / под ред. И.Е. Илларионова. Чебоксары: ЧПИ МГОУ, 2011. 283 с.
2. Основы промэкологии, теории процессов и аппаратов очистки технологических и аспирационных газов литейно-металлургических и смежных производств: монография. Ч.1. / Илларионов И.Е., Леушин И.О., Ульянов В.А., Гущин В.Н., Новоселов В.В. Чебоксары; Нижний Новгород, 2003. 196 с.
3. Основы промэкологии, теории процессов и аппаратов очистки технологических и аспирационных газов литейно-металлургических и смежных производств: монография. Ч.11. / Илларионов И.Е., Леушин И.О., Ульянов В.А., Гущин В.Н., Новоселов В.В. Чебоксары; Нижний Новгород, 2003. 216 с.
4. Илларионов И.Е. Разработка интенсивных технологий и оптимизация составов активированных песчано-глинистых и фосфатных смесей: дис. ... д-ра техн. наук: 05.16.04 / Илларионов Илья Егорович. Чебоксары, 1989. 504 с.
5. Металлофосфатные связующие и смеси: монография / Илларионов И.Е. и др. Чебоксары: Изд-во ЧувГУ, 1995. 524 с.
6. Илларионов И.Е., Васин Ю.П. Формовочные материалы и смеси: монография. Чебоксары: Изд-во Чуваш. ун-та, 1992. Ч I. 223 с.
7. Илларионов И.Е., Васин Ю.П. Формовочные материалы и смеси: монография. Чебоксары: Изд-во Чуваш. ун-та, 1995. Ч II. 288 с.
8. Wasin Y.P., Illarionov I.E., Schwezow W. J. Ein Verat sum Bes-timends Fliedvermogeks der Formsande // Giessereitechnik. 1971. № 6. S. 206.
9. Wasin Y.P., Illarionov I.E., I.I. Tribo und piesoelehtrische Effekte fur die Formstoffaufbe - reitung // Giessereitechnik. 1971. № 1. S. 29.
10. Wasin Y.P., Tshernogorow P.W, Bortnikow M.M., Illarionov I.E. Behandlung von Formstoffmaterialen mit Magnetfelden // Giessereitechnik. 1971. № 3. S. 104.
11. Металлофосфатные связующие и смеси, особенности их отверждения / Илларионов И.Е., Стрельников И.А. и др. // Вестник Чувашского государственного педагогического университета им. И.Я. Яковлева. 2012. № 4(76). С. 79-85.
12. Некоторые вопросы и особенности применения металлофос-фатных смесей для получения отливок из черных и цветных металлов и сплавов / Илларионов И.Е., Стрельников И.А. и др. // Труды НГТУ им. Р.Е. Алексеева. 2012. № 4(97). С. 262-265.
13. Стрельников И.А., Илларионов И.Е., Журавлев А.Ф. Особенности применения специальных смесей для легкоотделяемых прибылей // Заготовительное производство в машиностроении. 2011. № 9. С. 8-9.
14. Илларионов И.Е., Михайлов А.А. Формовочные смеси и связующие на основе гипса // Литейное производство. 2011. № 5. С. 14-16.
15. Илларионов И.Е., Журавлев А.Ф. О применении торфосодер-жащих теплоизоляционных смесей на металлофосфатных связующих // Литейное производство. 2011. № 6. С. 35-37.
16. Илларионов И.Е., Петрова Н.В. Жидкостекольные смеси, от-верждаемые продувкой углекислым газом. Труды НГТУ им. Р.Е. Алексеева. 2011. № 2(87). С. 208.
17. Илларионов И.Е. Теоретические основы формирования физико-механических свойств песчано-глинистых смесей // Труды НГТУ им. Р.Е. Алексеева. 2011. № 1(86). С. 233.
18. Разработка и исследование торфосодержащих теплоизоляционных смесей на металлофосфатных связующих / Петрова Н.В., Илларионов И.Е., Журавлев А.Ф., Музянов В.В. // Вестник Чувашского государственного педагогического университета им. И.Я. Яковлева. 2010. № 4. С. 153-158.
19. Разработка и исследование составов торфосодержащих ме-таллофосфатных смесей для изготовления разделительных пластин теплоизолированных легкоотделяемых прибылей / Петрова Н.В., Журавлев А.Ф., Илларионов И.Е., Стрельников И.А. // Вестник Чувашского государственного педагогического университета им. И.Я. Яковлева. 2010. № 4. С. 159-162.
20. Илларионов И.Е., Петрова Н.В. Особенности применения жидко-стекольных смесей // Вестник Чувашского государственного педагогического университета им. И.Я. Яковлева. 2010. № 4. С. 62-70.
21. Илларионов И.Е., Стрельников И.А., Петрова Н.В., Журавлев А.Ф. Теплоизоляционная смесь для утепления прибылей отливок: Пат. 2356688 РФ.
22. Проблемы и один из путей улучшения выбиваемости жидко-стекольных смесей в литейном производстве / Илларионов И.Е., Стрельников И.А., Петрова Н.В., Журавлев А.Ф. // Инно-
вации в образовательном процессе: сб. трудов Межрегиональной научно-практической конференции. 2008. С. 77-78.
23. Илларионов И.Е., Кузнецов В.П. Вакуумно-пленочная формовка, история развития и внедрения в отечественной промышленности // Заготовительные производства в машиностроении. 2008. № 10. С. 3-9.
24. Илларионов И.Е., Столяров А.М. Исследование влияния электрических сил формовочных материалов на формирование физико-механических и технологичес-ких свойств смесей // Вестник Магнитогорского государственного университета им. Г.И. Носова. 2007. № 1. С. 88-97.
25. Илларионов И.Е., Брялин М.Ф. Теоретические и технологические основы разработки стержневых смесей на основе новых неорганических фосфатных связующих и порошкообразных отвердителей // Вестник Магнитогорского государственного университета им. Г.И. Носова. 2006. № 4. С. 24-33.
Сведения об авторах
Илларионов Илья Егорович - д-р техн. наук, проф., академик РАЕН, заслуженный деятель науки и техники Российской Федерации, заслуженный деятель науки Чувашской Республики, зам. заведующего кафедрой материаловедения и металлургических процессов, Чувашский государственный университет им. И.Н. Ульянова, Чебоксары, Россия. Тел.: (8352) 45-39-39. Е-таП^тПр@гатЫег.ш
INFORMATION ABOUT THE PAPER IN ENGLISH
WAYS TO IMPROVE THE QUALITY OF CASTINGS
Illarionov Ilya Egorovich - D.Sc. (Eng.), Professor, Academician of the Academy of Natural Sciences, Honored Worker of Science and Technology of the Russian Federation, honored worker of science of the Chuvash Republic, Deputy. head of the department of materials science and metallurgical processes, the Chuvash State University. IN Ulyanova, Cheboksary, Russia. Phone: (8352) 45-39-39. E-mail: tmilp@rambler.ru
Abstract. Some aspects of improving the quality of castings from ferrous and non-ferrous metals and alloys. Recommendations for the use of molding sands, binders and nonstick coatings.
Keywords: scabs, quartz sand, heat resistance properties of mixtures and coatings.
♦ ♦ ♦
УДК 669.742
Чернов В.П., Сафонова Е.А., Астапов Е.Н.
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ВЛАГИ НА КАЧЕСТВО ОБОЛОЧКОВЫХ ФОРМ В ЛИТЬЕ ПО ВЫПЛАВЛЯЕМЫМ МОДЕЛЯМ
Аннотация. Послойное нанесение и сушка огнеупорных слоев при изготовлении оболочковых форм, используемых для литья по выплавляемым моделям, часто сопровождается растрескиванием и отслаиванием формируемых слоев. Повышению размерной точности форм способствует использование определенных способов удаления влаги, уменьшающих усадочные напряжения. Проводимые исследования актуальны для отработки режимов удаления влаги.
Ключевые слова: литье, оболочковая форма гидролиз, этилсиликаты, термоанализатор,, суспензия, зола, маршалит.
Наиболее трудоемкая и длительная операция в технологии литья по выплавляемым моделям - сушка оболочек. Послойное нанесение и сушка огнеупорных слоев при изготовлении оболочковых форм (ОФ) в 1-15% сопровождается растрескиванием и отслаива-
нием формируемых слоев [6].
Известно, что возникновение внутренних напряжений в покрытии вызвано усадочными процессами. Напряжения, концентрируясь на структурных неод-нородностях, приводят к зарождению и развитию
© Чернов В.П., Сафонова Е.А., Астапов Е.Н., 2016
