Качество литой поверхности во многом определяет качество и свойства отливок. При улучшении качества поверхности повышается точность отливок, сокращается трудоемкость очистных работ, улучшается обрабатываемость, уменьшаются припуски на механическую обработку.
Формирование поверхности отливок – сложный процесс, определяемый физико-химическим взаимодействием оксидов металла и формы, температурным режимом и габаритами отливки, газовым режимом и термическими напряжениями в литейной форме. В результате этого сложного вероятностного процесса формируется литая поверхность с той или иной степенью шероховатости.
Качество поверхности отливки оценивается по шероховатости, наличию поверхностных дефектов в виде пригара, наростов, плен, ужимин и т.д.
Пригар представляет собой слой формовочной или стержневой смеси, прочно удерживаемый на поверхности отливки и резко ухудшающий поверхность отливки. Различают три вида пригара: механический, химический, термический.
Механический пригар. В результате внедрения сплава в поры формы возникает механический пригар. Факторами, влияющими на внедрение металла в поры формы, являются металлостатический напор и капиллярное давление, газовое давление в форме и глубина прогрева формы до температуры плавления внедряющихся в форму струек металла.
При заполнении формы жидким металлом происходит так называемое «захолаживание» металла с образованием твердой корки. По мере прогрева литейной формы до температуры плавления сплава, что характерно для толстостенных отливок, корка разогревается и струйки могут продвигаться в поры литейной формы. Следует отметить, что возникающий при этом пригар чаще встречается на крупных отливках, у которых в течение более длительного времени, чем в случае мелких и средних отливок, происходит взаимодействие жидкого металла с литейной формой и, следовательно, на большую глубину прогревается форма.
Химический пригар. В результате реакций между оксидами металла и формы, которым способствуют высокие температура плавления и реакционная способность образующихся оксидов металла, на поверхности проявляется так называемый «химический пригар». Одной из радикальных мер его предупреждения является использование химически инертных по отношению к оксидам металла формовочных материалов, таких, как циркон, дистенсиллиманит, хромит и т. п. Химический пригар характерен лишь для сплавов с высокой температурой плавления, например для стали и чугуна.
В процессе взаимодействия оксидов металла и формы может возникать трудноотделимый и легкоотделимый пригарный слой.
Если между металлом отливки и пригарной коркой возникает слой оксидов железа оптимальной толщины (для жидкостекольных смесей он составляет 100 мкм), то пригарная корка легко отделяется от металла по этому слою. Так, на толстостенных стальных отливках, полученных в жидкостекольных формах без применения покрытий, образуется легкоотделимый пригар, поскольку сталь легко окисляется и пригарная корка содержит большое число оксидов. На чугунных отливках получается трудноотделимый пригар.
Термический пригар. При заливке металла вследствие низкой огнеупорности формовочных материалов происходит оплавление поверхности формы с образованием термического пригара на отливке, который легко отделяется от поверхности отливок в виде толстой «шубы».
Описанные три вида пригара в чистом виде практически не встречаются, так как формирование отливки протекает в условиях совместного действия давления металла, его температуры и химического взаимодействия с формой.
По современным представлениям образование пригара происходит следующим образом. Как правило, заливаемый металл не смачивает кварцевый песок, но реагирует с кислородом воздуха. Оксиды образуются в большей степени на поверхности контакта металл–форма. Оксиды в виде жидких масс смачивают кварцевые зерна смеси, при этом облегчается их внедрение в поры смеси под действием давления (напора) металла, капиллярного давления и давления газа в полости формы. Внедрившаяся в поры струйка металла, покрытая пленкой оксидов, во-первых, вступает в химическое взаимодействие с частицами кварца, во-вторых, быстро охлаждается и, затвердевая, останавливается. Дальнейшее ее продвижение зависит от степей прогрева формы. При нагреве струйки выше температуры ликвидуса металла, возможно некоторое увеличение глубины ее внедрения. Практически во всех технологических мероприятиях по уменьшению пригара используются описанные ранее представления образовании пригара. Во-первых, стремятся к минимальному размеру пор; во-вторых, обеспечивают несмачивание формовочной смеси металлом и его оксидами; в-третьих, создают восстановительную атмосферу, препятствующую протеканию окислительных реакций; в-четвертых, обеспечивают быстрое затвердевание струек металла подбором более теплопроводного материала. Наконец, в-пятых, обеспечивают быстрое окисление внедрившихся струек, что приводит к потере ими прочности и легкому отделению пригара.
Для предотвращения пригара на чугунных отливках в формовочную смесь вводят каменноугольную пыль, мазут и другие углеродистые добавки.
Противопригарное действие каменного угля и других углеродистых добавок связывают с созданием в полости формы восстановительной атмосферы и образованием пиролитического («блестящего») углерода при температуре 600 °С. Восстановительная атмосфера препятствует протеканию окислительных реакций, пиролитический углерод оседает в виде прочной пленки на зернах кварца, которая не смачивается ни металлом, ни его оксидами и затрудняет внедрение металла в поры формовочной смеси.
В составе единой формовочной смеси следует использовать угли, содержащие 25… 35 % летучих и дающие выход блестящего углерода не ниже 10 %. На автоматических линиях для увеличения газопроницаемости и прочности в зоне конденсации применяется гранулированный уголь с размером частиц 0,160…0,315 мм и их содержанием в добавке до 65… 85 %. При машинной формовке допустимо использовать каменный уголь более тонкого помола – не менее 0,063 мм.
Из-за недостатков, связанных с применением каменного угля, (низкий выход блестящего углерода, ухудшение условий труда и т.п.), изыскиваются другие материалы (например, пеки, битумы), в том числе жидкие углеродсодержащие добавки (эмульсионные масла, синтетические полимеры), отличающиеся более высоким выходом блестящего углерода (более 40 %). Противопригарные добавки содержат 3… 6 % молотого каменного угля или 1,6…2,0 % синтетических композиций, или 0,75…2,00 % жидких углеродсодержащих материалов.
Для предотвращения пригара на стальных отливках с толщиной стенки до 50 мм в смесь вводят мелкодисперсные огнеупорные добавки, например пылевидный кварц (маршаллит), который, уменьшая поры смеси, препятствует внедрению струек металла в них.
Для отливок с толщиной стенок более 50 мм используются смеси с высокими показателями теплопроводности и теплоаккумуляции, например, в облицовочных смесях используют вместо кварцевых песков цирконовые пески.
При введении в смесь щелочи или мочевины образуются вязкие массы эвтектического состава, эти массы заполняют поры, предотвращая внедрение оксидов металла в поры литейной формы.
При изготовлении отливок из алюминиевых сплавов используют мелкозернистые пески и сильно уплотняют смесь, что уменьшает размер пор. В случае получения отливок из магниевых сплавов используют гидроксид бора В(ОН)3 (тривиальное название борная кислота»), сульфитную серу, препятствующие окислению и воспламенению магниевых сплавов.
Противопригарные покрытия. Для предотвращения пригара на поверхности отливок используют припылы, пасты и краски. В качестве припылов для стального литья применяют: маршалит, дистенсиллиманит; для чугунного литья – графит; для цветного литья – тальк. Для покрытия поверхностей крупных литейных форм используют пасты, изготовленные на основе припылов.
Наибольшее распространение получили краски, которые представляют собой суспензии – дисперсные структуры, включающие огнеупорный наполнитель (основу), связующее, специальные добавки и растворитель. В качестве огнеупорной составляющей как основы красок используют по видам сплавов те же минералы, что и в припылах. В качестве связующих в красках широко используются неорганические и органические материалы. В качестве неорганических связующих используются (глина, жидкое стекло). В свою очередь, различают три класса органических связующих в зависимости от температуры их термодеструкции. При разработке термостойких покрытий предпочтение следует отдавать связующим с температурой термодеструкции 180…250 °С и кремнийорганическим смолам с температурой термодеструкции 250… 500 °С (полифенилсиликсоновая – Ф-1, полиметилсиликсоновая – КМ-9к).
Специальными добавками в красках являются добавки, повышающие седиментационную устойчивость, и добавки антисептиков, препятствующих брожению органических веществ и выделению запахов.
Действенным способом повышения седиментационной устойчивости литейных красок является увеличение вязкости жидкой фазы путем введения стабилизирующих веществ (стабилизаторов). Стабилизаторы представляют собой вещества, сильно набухающие и создающие коллоидные растворы повышенной вязкости. Для водных красок наилучшим не только связующим, но и стабилизатором является глина (бентонит). Содержание глины в составе краски не должно быть больше 3… 4 %. Избыток глины вызывает растрескивание покрытия. В качестве стабилизаторов неводных красок используют: полиизобутилен, клей резиновый, бентоны – органические бентониты, полученные путем обработки глин соединениями аминов.
В качестве антисептиков в красках для предотвращения брожения органических добавок используют формалин технический, изопропиловый спирт, салициловую кислоту и бензонат натрия.
В качестве растворителя в литейных красках применяют воду и различные органические растворяющие вещества. К основным характеристикам растворителей относятся: растворяющая способность, температура кипения, скорость испарения, взрывоопасность, токсичность. Растворяющую способность, например, оценивают по вязкости растворов с одинаковой концентрацией растворенного вещества: чем ниже вязкость, тем активнее растворитель. Наибольшей активностью обладают ацетон и спирты, наименьшая растворяющая способность у углеводородов (бензина, керосина, уайт-спирита).Практический интервал кипения, при котором растворитель может быть использован в быстросохнущих красках, находится в пределах 55…85 ºС.
Краски, выпускаемые промышленностью, имеют специальные обозначения: водные краски для стального литья – СТ-1, СТ-2, СТ-3 (от слова «сталь») (в их составе пылевидный кварц, декстрин, патока, сульфитно-спиртовая барда, стабилизатор бентонит), ЦБ (цирконобентонитовая), СБ (силлиманитобентонитовая), МБ (магнезитобентонитовая). Для чугунного литья выпускается водная краска ГБ (графитобентонитовая), для цветных сплавов – водная краска ТБ (талькобентонитовая).
Водные краски после нанесения на поверхность форм и стержней обязательно должны подвергаться сушке. Самовысыхающие краски упрочняются после определенной выдержки окрашенных стержней на воздухе или при поджигании краски.
Приготовление красок из паст в литейном цехе ведется путем их растворения до необходимой плотности. На поверхность форм и стержней краски наносят кистью, посредством окунания или из пульверизатора.