Формовочные материалы (стр. 25 )

9. Противопригарные покрытия

9.1. Механизм образования пригара
и способы его предупреждения

Пригаром называют дефект в виде трудно отделяемого слоя на поверхности отливки, образовавшегося вследствие физико-химичес­кого взаимодействия формы или стержня с расплавом и его окислами. Различают два вида пригара: механический и химический.

Механический пригар образуется вследствие проникновения расплавленного металла в поры формы. Чем больше температура сплава и гидростатическое давление, а также размер пор в смеси, тем больше механический пригар. Для того, чтобы возник механический пригар, сплав должен проникнуть в поры формы или стержня на глубину не меньше диаметра зерна формовочного песка (0,1–0,315 мм). В этих условиях возникает капиллярное давление, которое может способствовать (при условии смачивания сплавом формы) либо препятствовать (когда сплав не смачивает форму) проникновению сплава в поры формы. Сплав проникает в поры формы под действием гидростатического и капиллярного давления. Глубина проникновения металла в поры формы может быть найдена из выражения

,

где h – глубина проникновения металла в поры формы; Н – гидростатический напор сплава в форме; σ – поверхностное натяжение сплава; – краевой угол смачивания; ρ – плотность сплава; r – радиус пор.

Капиллярное давление будет препятствовать (при 90°<<180°) либо способствовать (при 0°<<90°) проникновению сплава в поры формы.

Жидкий неокисленный сплав не смачивает поверхность формы, и поэтому капиллярное давление будет препятствовать образованию пригара на отливках. Исключить или значительно уменьшить образование механического пригара возможно созданием восстановитель­ной атмосферы в полости литейной формы и на границе “металл – форма” при заполнении ее сплавом до момента образования на поверхности отливки твердой корочки затвердевшего сплава.

Химический пригар возникает на отливках в результате физико-химического взаимодействия на границе “металл – форма” в результате сложных реакций между металлом отливки, его оксидами и материалом формы.

В отличие от механического пригара зерна формовочного песка в прогреваемом слое связываются главным образом продуктами химических реакций, протекающих при высоких температурах, преимущественно силикатами. Оксиды железа хорошо смачивают кварцевый песок и под действием капиллярного давления легко проникают в поры формы, вступая в реакцию с кремнеземом:

2FeO + 2SiO2 2FeO · SiO2

В сплавах с высоким содержанием марганца образованию пригара способствует аналогичная реакция между закисью марганца и кремнеземом

2Mn + 2SiO2 2MnO · SiO2

Образующиеся в результате этих реакций легкоплавкие силикаты после затвердевания цементируют зерна песка в слой пригара. Для уменьшения пригара в формовочные и стержневые смеси вводят специальные противопригарные добавки.

При производстве крупных стальных отливок в качестве противопригарных добавок в облицовочные формовочные и стержневые смеси вводят: 15–30% пылевидного кварца (> 94,5% SiO2), до 25% цирконового песка; до 15% серебристого графита (кристалличе-
ского), обладающего большой термохимической устойчивостью
до 1800°С. Пылевидный кварц уменьшает пористость, цирконовый песок и серебристый графит увеличивают огнеупорность смесей.

При чугунном литье для уменьшения пригара в смеси вводят пылевидный каменный уголь. В период заливки формы частицы угольной пыли сгорают, выделяя СО и СО2, образующие газовую прослойку между формой и жидким металлом. В начальный момент заливки и в период снятия теплоты перегрева при дефиците О2 на поверхности отливки образуется в основном оксид углерода СО. Кроме того, СО создает в форме восстановительную атмосферу, которая препятствует образованию оксидов сплава, способствующих смачиванию зерен формовочного песка и проникновению металла в поры формы. Каменный уголь должен выделять при сгорании не менее 30% летучих веществ и не более 11% золы. В нем должно быть не более 2% серы и 12% влаги. Дисперсность помола угля и его содержание в смеси зависят от толщины стенок отливок и могут быть выбраны по табл. 9.1.

Таблица 9.1

Дисперсность и содержание угля в формовочной смеси

Толщина стенок отливок, мм	Содержание угля в масс. д., %	Размер зерен
3–5	0	–
5–10	3	0063
10–25	3–4	016
25–50	4–5	02
50	6–8	0315

Мазут в качестве противопригарной добавки применяют в облицовочных смесях для мелких чугунных отливок и отливок из медных сплавов, получаемых в сырых песчано-глинистых формах. Действие его подобно каменноугольной пыли. Мазут обладает меньшей зольностью, поэтому смеси более долговечны и газопроницаемы. Обладая большей газотворностью, содержание мазута в смеси не должно превышать 1–1,5%.

При литье магниевых сплавов в формовочные и стержневые смеси вводят защитные присадки (табл. 9.2), которые, интенсивно выгорая в процессе заливки металла, образуют между сплавом и стенками формы или стержня газовую прослойку с инертной атмосферой, препятствующей окислению отливки и горению сплава.

Таблица 9.2

Состав защитных присадок для магниевых сплавов

Присадка	Состав	Смесь	Количество присадки, %
Фтористая	Не менее 61,5% фтора; 22,5% аммония; 4,5–5,5% бора	Формовочная	4–8
Серный цвет	Не менее 98% серы	Стержневая	2
Борная кислота	Не менее 99% Н3ВО3	Формовочная Стержневая	До 0,3
ВМ	Мочевина СОNH2; коагулянт Al2(SO3) · 18Н2О; борная кислота Н3ВО3	Формовочная	4–6

9.2. Противопригарные краски и пасты

Введение противопригарных добавок в состав формовочных и стержневых смесей не всегда может обеспечить получение отливок без пригара. Одним из наиболее распространенных способов предупреждения образования пригара на отливках является нанесение защитных покрытий на поверхность изготовленных форм и стержней, которые препятствуют проникновению жидкого металла в поры смеси и химическому взаимодействию оксидов металла с материалом формы. Формовочные краски должны обладать следующими свойствами:

-  иметь большую температуру плавления и не размягчаться от соприкосновения с расплавом;

-  оставаться постоянными по составу во время их приготовления, хранения и использования;

-  обладать хорошей кроющей способностью;

-  слой краски, нанесенный на поверхность формы или стержня, не должен трескаться при сушке форм и стержней;

-  после подсушки удерживаться на поверхности формы или стержня.

Противопригарные краски состоят из огнеупорной основы (наполнителя), связующего материала и растворителя. Для предупреждения преждевременного осаждения наполнителя, т. е. с целью повышения устойчивости красок, в их состав вводят стабилизаторы. В качестве стабилизатора применяют такие вещества, которые неограниченно набухают в жидкости и тем самым создают условия, препятствующие осаждению частичек наполнителя. В состав красок также вводят специальные добавки, предупреждающие брожение (формалин), ускоряющие их упрочнение (катализатор) и др.

В качестве наполнителей красок используют пылевидный кварц, графит, тальк, циркон, а также некоторые другие материалы. Пылевидный кварц применяют для покрытий форм и стержней при стальном литье, графит – для покрытий форм и стержней при чугунном и цветном литье, тальк – при цветном литье и циркон – при крупных стальных отливках.

Для приготовления красок применяют водорастворимые и органо-растворимые связующие материалы. В состав водорастворимых
красок входят органические связующие материалы: сульфитно-дрож­же­вая бражка, декстрин, патока, крахмалит, древесный пек – и не­
органические материалы: жидкое стекло, сульфат алюминия [(Al2(SO4)3 · 18H2O], сульфат магния (MgSO4 · 7H2O), триполифосфат натрия (Na5P3O10)n.

В составе органорастворимых красок (самовысыхающих – не требующих сушки) в качестве связующих применяют органические материалы: нитролак 644, поливинилбутираль и кремнийорганические материалы: лак КО-075 и смолу К-9.

Для разведения красок до требуемой плотности используют воду или органические жидкости. В качестве органических растворителей красок применяют уайт-спирит, этиловый спирт, раствори, растворитель обувного гарнитоля.

В качестве стабилизаторов в состав красок вводят добавку бентонита, а также высокомолекулярные вещества, такие, как поливиниловый спирт (ПВС), карбоксиметилцеллюлозу (КМЦ). Помимо своего назначения, стабилизаторы являются и связующими материалами, повышающими прочность слоя краски.

При подборе составов противопригарных красок принимается во внимание вид сплава, масса изготовляемых отливок, особенности формовочных или стержневых смесей. Учитывая многообразие факторов, определяющих требования к противопригарным покрытиям, оптимальные составы красок, как правило, устанавливаются опытным путем.

9.2.1. Водные противопригарные краски

Водные краски применяют главным образом для форм и стержней, подвергаемых сушке. В отдельных случаях их также применяют при изготовлении форм и стержней из самотвердеющих смесей, но при этом необходимо использовать поверхностную подсушку слоя краски. Состав и свойства водных противопригарных красок с органическими и неорганическими связующими материалами приведены в табл. 9.3 и 9.4.