4.4. Взаимодействие продуктов термодеструкции с отливкой при ее затвердевании и охлаждении

После заливки формы металлом процесс взаимодействия про­дуктов термодеструкции получает свое дальнейшее развитие на границе металл—форма. Во время заливки формы металлом обра­зующаяся жидкая фаза деструкции модели, перемещаясь с зеркала жидкого металла на границу металл—форма, продолжает дестру – гировать с выделением паро – и газообразной, а также твердой фаз (рис. 4.14).

Рис. 4.14. Фрагмент литейной формы: 1 — жидкая фаза; 2 — парогазовая фаза; 3 — углерод; 4 — конденсат;

5 — кварцевый песок; 6 — покрытие на модели

Углерод термодеструкции при заливке формы металлом адсор­бируется на зернах кварцевого песка в близлежащих к отливке слоях формы. Паровая фаза, состоящая в основном из стирола, то­луола и бензола, конденсируется в холодных слоях формы и по мере их нагрева тепловым потоком от отливки перемещается в бо­лее глубокие слои формы. Газообразная фаза, фильтруясь через поры песчаной формы, вытесняет воздух и частично удаляется за пределы формы в атмосферу цеха.

Выход газовой фазы

Направление снижения объема жидкой фазы в процессе ее деструкции

Жидкая фаза

Выход газовой фазы

Жидкая фаза

Рис. 4.15. Разложение жидкой фазы на границе металл—форма

На рис. 4.15 представлена схема процесса деструкции жидкой фазы на границе металл—форма и диффузия углерода в поверх­ностный слой отливки.

(4.26)

Процесс растворения углерода протекает в локальной области, его можно рассматривать как одномерную нестационарную диффузию:

Решение уравнения (4.26) при граничных условиях С(х, х)х= о = Сн; С(х, т)*-*» = Со

Имеет вид

Л

X

(4.27)

2л/5т,

C-C

?- = !-erf

Где С — исходная концентрация углерода в металле; Ch — концен­трация предельного насыщения; т — время.

Уравнение (4.27) позволяет экспериментально определить ко­эффициент диффузии углерода в поверхностный слой отливки при ее кристаллизации и последующем охлаждении. Для стали IOJI было получено значение коэффициента диффузии углерода D = 16- Ю-6 см2/с [5].

В толстостенных отливках получает развитие капиллярный массоперенос углерода в жидкий металл при его кристаллизации, схема которого представлена на рис. 4.16.

X

Vr – Кристалл УчХХ

T L rtX

WsJx

Л-Гхх

OrIKix

Kx4

__Мсталл

Рис. 4.16. Капиллярный массоперенос углерода в жидкий металл

В общем случае скорость движения расплава в капилляре опре­деляется градиентом температур:

Где К = / (ам, г, ?, ц, Т) и зависит от поверхностного натяжения расплава ам, радиуса и длины капилляра г, ?, вязкости \х и темпе­ратуры металла Т. Время капиллярного массопереноса ограничено скоростью кристаллизации металла, однако с повышением содер­жания углерода в сплаве температура начала его кристаллизации снижается, а интервал кристаллизации возрастает, что способству­ет увеличению времени протекания капиллярного массопереноса углерода и повышению его концентрации в металле при получе­нии отливок из низкоуглеродистых марок стали.

Локальные процессы взаимодействия продуктов термодеструк­ции модели с поверхностными слоями отливки приводят к мест­ному изменению структуры металла (сталь) или к формированию

Дефектов (чугун), однако основные процессы взаимодействия по­лучают свое развитие после заполнения формы металлом по мере его кристаллизации и прогрева формы. К концу заливки формы отливка окружена адсорбированным в порах формы углеродом, концентрация которого максимальна на границе металл—форма. Поры формы заполнены газообразными продуктами термодеструк­ции. В ближайших к поверхности отливки слоях формы находится конденсат парообразной фазы термодеструкции модели. По мере прогрева формы конденсат испаряется и повторно конденсируется в более холодных слоях формы. Экспериментально установлено, что движение конденсата подчиняется закону квадратного корня (рис. 4.17) и может быть определено по формуле [18]

I = A^T9

Где для стали А = 25,5 См/мин~2 и для чугуна А = 22,5 См/мин~2 ¦

/, MM

О 3 6 9 12 15 18

X, мин

Рис. 4.17. Продвижение конденсата в форме по мере ее нагревания при заливке стали (/), чугуна (2) и алюминия (3)

На рис. 4.18 показано распределение конденсата в форме через 7 мин после заливки ее чугуном. Три пика на кривой соответству­ют конденсации стирола (температура кипения 146 °С), толуола (110 0C) и бензола (80 °С).

ОД OO Г

0,050

0,025

0,075

О 50 100 150 200 250

/, мм

Рис. 4.18. Распределение конденсата в форме через 7 мин после ее заливки чугуном

На рис. 4.19, где представлены температурное поле и зона кон­денсации в форме после заливки стали при температуре 1550 0C спустя 4 мин, видно, что при достижении в зоне конденсации тем­пературы кипения стирола и его производных (146 °С) начинается испарение конденсата и перемещение его в более холодные слои формы.

T

300

100

50

100

Рис. 4.19. Распределение температуры (T) и конденсата (С) в форме через 4 мин после ее заливки сталью

0,02 400

0,01- 200

150

0

/, мм

500

На рис. 4.20 показано распределение конденсата в форме через 7 мин после заливки алюминия, чугуна и стали.

/, MM

Рис. 4.20. Распределение конденсата через 7 мин после заливки формы алюминием (/), чугуном (2) и сталью (S)

После заливки металла в форме возникает высокий градиент температур между поверхностью отливки и формой. Газификация жидкой фазы на границе металл—форма изменяет состав газовой атмосферы в форме. Форма является капиллярно-пористым телом, в котором под действием градиента температур образуются тер­мофильтрационные пары. Под действием градиентов температуры, давления и концентрации, которые изменяются во времени, в ли­тейной форме протекают сложные процессы тепломассопереноса газо – и парообразных продуктов первичной и вторичной термоде­струкции модели вынужденной и естественной конвекцией, ка­пиллярным массопереносом и взаимной диффузией (рис. 4.21).

О

J

\

(C7H8)n (C6H6)n (C8H8)w

T

Dx

EI

Г\

С

Л

%

S

P о

C7Hs C76H86 CoHo

(f[_m DP_ Dx ‘ dx

U

Я"

О IU

О

И

Форма

О

X

T » T

OT H

Рис. 4.21. Схема тепломассопереноса в форме при кристаллизации и охлаждении отливки

Вынужденная конвекция имеет место только в первоначальный момент заливки формы металлом и непродолжительное время по­сле заливки в результате разложения жидкой фазы на границе ме­талл—форма. В этот период она подавляет все другие виды массо­переноса. В дальнейшем под действием температурного градиента получает развитие конвективный массоперенос, в результате кото­рого на границу металл—форма интенсивно поступает воздух, со­держащий кислород, азот и в незначительных количествах пары воды. При наличии высокого содержания углерода в прилегающих к отливке слоях формы получают развитие реакции газификации углерода:

С + O2 СО2 +Q (AZ0 = -92 080 – 0,557) (4.28, а) 2С + O2 <r> 2С0 + Q (AZ0 = -52 900 – 43,017) (4.28, б) 2СО + O2 <-> 2С02 + Q (AZ0 = 135 260 + 41,97) (4.28, в)

Реакции полного горения углерода (4.28, а) и догорания СО (4.28, в) имеют место в окислительных условиях. Реакции непол­ного горения (4.28, б) и (4.28, г) получают свое развитие в восста­новительной атмосфере при избытке углерода. Направление хода реакций определяет их термодинамический потенциал. Большое отрицательное значение AZ0 реакций (4.28, а) и (4.28, б) в области высоких температур указывает на большое сродство углерода к кислороду при образовании СО и CO2 и невозможность образова­ния свободных С и O2 из CO2 и СО. Однако при температурах ни­же 1000 0C становится возможным распад СО с образованием С и CO2 и невозможной диссоциация СО с выделением свободного кислорода (4.28, г).

Вторым источником газообразования является окислительная деструкция бензола, стирола и толуола, пары которых поступают за счет диффузии из зоны конденсации парообразной фазы в зону высоких температур. В зоне конденсации окислительная термоде – струкция невозможна в связи с низкой температурой на данном участке формы. Окислительная термодеструкция, наряду с ради- кально-цепными реакциями высокотемпературного пиролиза па­ровой фазы, приводит к появлению в газовой фазе атмосферы формы водорода, метана и этана. В табл. 4.10 дан состав газовой фазы на границе металл—форма через определенные промежутки времени после заливки формы сталью при температуре металла 1550 °С.

Таблица 4.10

Содержание газа (об. %) на границе металл—форма после заливки формы сталью при температуре 1550 0C

Составляющие газовой атмосферы

Время после заливки, мин

Од

2

5

10

15

20

H2

42,0

57,8

51,7

47,1

27,8

41,0

O2

2,85

2,1

1,7

2,3

7,4

2,7

N2

12,1

10,1

11,4

17,9

42,0

31,0

СО

39,5

28,1

31,8

29,3

18,3

21,5

CO2

1,29

0,6

0,5

0,6

0,9

1,2

CH4

2,05

0,8

2,1

3,2

2,3

C2H4

0,81

0,3

0,8

0,6

0,4

0,3

Температура, 0C

840

1105

1170

1060

970

880

Если не учитывать этан, парциальное давление которого состав­ляет тысячные доли атмосферы, и азот, который в данных условиях не вступает в реакции, то окислительно-восстановительный по­тенциал газовой атмосферы в форме будет определяться следую­щим составом газа:

СО – CO2 – H2- CH4 – O2 (4.29)

Углеродный потенциал газовой атмосферы определяется урав­нением

PcoA

Где Рсо, JpCo2′ jpCo4 и рщ— парциальное давление компонентов газовой атмосферы; Kp — суммарная константа равновесия реак­ций (4.28) и реакции диссоциации метана: С + CH4. Кон­станта равновесия определяется по формуле

In К„ (4.31)

Ps RT

Для анализа диффузионных процессов углерода из газовой фа­зы в металл удобно использовать понятие термодинамической ак­тивности углерода; ее для газовой фазы можно определить по фор­муле

P2 P

Г CO1 CH4

ICO2 – rH2 P1

Результаты расчета по уравнению (4.32) представлены в виде графика на рис. 4.22, в.

T,0 с 1200

1000 800

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

N= Ox

О

(U CQ

Гм

О

U

О

S U

°’8 1 I

0,4 I I

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

0 2 4 6

40

О

W

30

SJ

20

O4

10

10 12 14 16 18 20

Т, мин

5

JS

3 аз

5"

5

Ы

7

Ч о

S

9

О Ц

S

О S

О С

Сз

И

13

Рис. 4.22. Кинетика состава газовой атмосферы в форме после заливки: а) температура на границе металл—форма; б) состав газовой атмосферы; в) активность углерода в газовой фазе и металле; г) изменение кислородного потенциала

Кислородный потенциал Tc0 определяется по парциальному дав­лению его в газовой фазе:

Tio = RTinPoi.

Результаты расчета кислородного потенциала по уравнению (4.33) и данным табл. 4.10 представлены на рис. 4.22, г.

На этом же рисунке приведена зависимость отношения Pc0IPc0i

От времени, которая характеризует направление реакции (4.28, г) и окислительно-восстановительные свойства газовой фазы.

Формирование газовой фазы на границе металл—форма при кристаллизации и охлаждении отливки происходит в результате: окислительно-восстановительных реакций, обусловленных нали­чием продуктов термической деструкции пенополистирола в виде твердой, паровой и жидкой фаз, расположенных в близлежащих к отливке слоях формы; конвективного массопереноса газообраз­ных продуктов и воздуха, возникающего из-за высокого темпера­турного градиента между отливкой и формой; диффузионного массопереноса парообразных продуктов под действием концен­трационного градиента. При получении отливок из углеродистых сплавов формирование их поверхности в процессе кристаллизации и охлаждения зависит от термодинамического потенциала углеро­да в сплаве, который определяется уравнением [10]

Xrvac

Где Nc — мольная доля углерода в сплаве; T — температура спла­ва, К.

(4.33)

На рис. 4.22, в приведены графики изменения термодинамиче­ской активности углерода в сталях 45JI и ЮЛ, рассчитанных по уравнению (4.34). Из графиков, приведенных на рис. 4.22, в и 4.22, г, следует, что в начале процесса охлаждения отливки проис­ходит интенсивный рост термодинамической активности углерода в газовой фазе, величина которого значительно превосходит ак­тивность углерода в сталях 45JI и ЮЛ. В результате происходят поверхностное науглероживание отливок и, как следствие, рост приращения углерода Cnp в сплавах, однако уже через 8 мин имеют место резкое падение активности углерода в газовой фазе и рост кислородного потенциала щ, что приводит к процессу обезугле­роживания поверхности отливки из стали 45JL Активность угле­рода в сплаве IOJI остается ниже активности углерода в газовой фазе, поэтому в данном случае возможны процессы как обезугле­роживания, так и науглероживания, что зависит от температуры (толщины стенки отливки). Начиная с 12 мин происходит незначи­тельный рост активности углерода в газовой фазе, что приводит к повторному процессу науглероживания поверхностного слоя от­ливок, однако он будет постепенно затухать по мере снижения тем­пературы на границе металл—форма. Тонкостенные стальные от­ливки с содержанием углерода более 0,3 % будут иметь обезугле – роженный поверхностный слой (рис. 4.23, а) и переходную перлит­ную зону с повышенным содержанием углерода (до 0,8 %).

Рис. 4.23. Структура поверхностного слоя отливки из стали ЗОЛ при толщине стенки: а) 10 мм; б) 20 мм

При толщине стенки отливки более 10 мм второй этап роста ак­тивности углерода в газовой фазе при сохранении высокой темпе­ратуры на границе металл—форма приведет к вторичному наугле­роживанию обезуглероженного слоя и дальнейшему росту содержа­ния углерода в поверхностном слое отливки (рост Cn) (рис. 4.23, б).

Сталь с содержанием менее 0,3 % углерода может иметь обез – углероженный слой только в тонких сечениях отливки. Так как фасонные стальные отливки имеют стенки различной толщины и процесс их охлаждения неодинаков, то и степень науглероживания их будет различна. На процесс поверхностного науглероживания отливок из стали существенное влияние оказывают технологиче­ские параметры процесса литья. Повышение газопроницаемости формы, увеличение скорости заливки металлом, повышение его температуры непосредственно влияют на интенсивность массопе­реноса и формирование окислительно-восстановительного потен­циала атмосферы в форме (рис. 4.6-4.9 — с индексом П).

Устранение или уменьшение зоны поверхностного науглеро­живания может осуществляться двумя способами: изменением термодинамического потенциала углерода в газовой фазе или тер­мической обработкой отливки. В первом случае в противопригар­ное покрытие вводятся компоненты, которые при заливке формы металлом диссоциируют с образованием углекислого газа и кисло­рода и связывают углерод, уменьшая таким образом углеродный потенциал газовой атмосферы в форме. В качестве таких компонен­тов рекомендуются CaCO3 и смесь, состоящая из 50 % MgCO3 и 50 % маршалита [22]. Изменение термодинамического потенциала углерода и кислорода газовой атмосферы в форме возможно за счет непосредственного воздействия путем подачи в форму воздуха или CO2 после ее заливки металлом для окисления углерода термоде­струкции в прилегающих к отливке слоях формы и удаления из нее продуктов реакции:

Однако необходимо управлять процессом окисления углерода таким образом, чтобы не допустить обезуглероживания поверхно­сти отливки. Заливка металла в вакуумируемые формы при ЛГМ значительно уменьшает как поверхностное, так и объемное науг­лероживание отливок из углеродистых сталей, а также раствори­мость в них водорода.

Во втором случае устранение поверхностного науглероживания отливок достигается диффузионным отжигом 1-го рода, при кото­ром стальные отливки нагреваются до температуры 1000-1100 0C с последующим медленным охлаждением их совместно с печью.

Следует заметить, что поверхностное науглероживание имеет существенное значение только для тонкостенных мелких отливок. При получении крупных отливок массой более 500 кг эта пробле­ма не возникает, т. к. при нормализации поверхностное науглеро­живание практически устраняется.

При заливке чугуна формирование газовой фазы в форме и ее взаимодействие с отливкой происходят иначе, чем при заливке стали. Высокая термодинамическая активность углерода в чугуне практически предотвращает диффузию как первичного, так и вто­ричного углерода, выделяющегося из газовой фазы в процессе охлаждения отливки. Более низкий градиент температур в форме изменяет картину массопереноса.

Таблица 4.11

Содержание газа (об. %) на границе металл—форма после заливки формы чугуном при температуре 1350 0C

Состав газовой фазы в форме на границе металл—форма

Время после заливки, мин

Од

5,0

20,0

H2

47,97

43,32

28,21

N2

11,01

11,19

20,35

O2

2,29

1,72

2,42

СО

23,89

31,69

37,47

CO2

4,42

4,16

5,05

CH4

5,12

5,61

4,74

C2H4

5,36

3,20

1,75

Температура, 0C

640

1095

870

В составе газовой фазы (табл. 4.11) увеличено содержание этана, метана и водорода — продуктов вторичной термодеструкции сконденсированной фазы. Отсутствие процесса диффузии углеро­да первичной термодеструкции в поверхностные слои отливки на границе металл—форма, постоянное выделение углерода вторич­ной термодеструкции приводят к избытку свободного углерода на границе металл—форма. При температуре в указанной зоне выше 900 0C на границе металл—форма происходит конденсирование углерода с образованием пироуглерода, который формируется слоями параллельно подложке. Он обладает большой анизотроп­ностью свойств вдоль осей С и А. По мере увеличения толщины пленки пироуглерода происходит падение температуры его по двум причинам: снижение температуры металла за счет теплоаккумуля – ции тепла формой и теплового сопротивления самого пироуглерода в связи с низким коэффициентом теплопроводности его в направле­нии, перпендикулярном поверхности отливки (ось С). При дости­жении определенной толщины пленки пироуглерода температура его поверхности, противоположной поверхности отливки, стано­вится ниже 900 °С. Это приводит к накоплению на поверхности пи­роуглерода атомарного углерода, который выделяется из газовой фазы, и образованию рыхлого сажеобразного аморфного углерода.

Продукты термической деструкции модели, образующиеся как на стадии заливки формы металлом, так и в период кристаллиза­ции и охлаждения отливки, являются причиной не только струк­турных изменений в поверхностном слое отливки, но и формиро­вания поверхностных дефектов на отливке. Особенно подвержена дефектообразованию поверхность чугунных отливок, что объясня­ется наличием высокого содержания жидкой фазы в продуктах термодеструкции модели. Характерными дефектами поверхности чугунных отливок являются волнистость, углеродистые раковины, выпот, металлические плены и газовые раковины.

Волнистость — вид дефекта (рис. 4.24, а), который характерен для боковых и верхних поверхностей отливки. Он образуется в результате стекания жидкой фазы на границу металл—форма и дальнейшей ее термодеструкции; при этом тонкие плены пироугле­рода обладают высокой адгезией к металлу. Пироуглерод при темпе­ратуре кристаллизации чугуна обладает высокой прочностью. Так, при 1400 0C его предел прочности при сжатии вдоль оси А состав­ляет 700 кг/см2, а коэффициент расширения 0,31 • IO"6 1/град. В то же время чугун при 1100 0C имеет прочность около 4,6 кг/см2 и коэффициент расширения 3,5 • IO 6 1/град. В результате совмест­ного охлаждения прочно связанной системы пироуглерод—металл возникают напряжения сжатия в пленке пироуглерода и растяже­ния в поверхностной закристаллизовавшейся корочке металла, сжатие которой происходит за счет образования волны. Волни­стость является характерным дефектом тонкостенных чугунных отливок, в том числе и при литье по удаляемым моделям при на­личии в песчано-глинистой смеси молотого угля.

Выпот (рис. 4.24, б) — дефект, характерный для боковых по­верхностей толстостенных отливок. Он представляет собой скоп­ление на поверхности отливки металлических капель застывшей легкоплавкой эвтектики, которая появляется при обратной ликва­ции металла во время кристаллизации отливки.

Выпот находится, как правило, в неглубокой раковине, покры­той пленами блестящего пироуглерода, сверху которого находится аморфный сажистый углерод. Природа его образования такая же, как и у волнистости: она основана на совместной деформации пи­роуглерода и прилегающего к нему слоя закристаллизовавшегося металла при получении толстостенных отливок (более 30 мм). При формации поверхностного слоя металла из-за его низкой прочно­сти происходит разрыв тонкой корочки металла, и в образовав­шуюся щель поступает наиболее подвижная, обогащенная фосфо­ром железоуглеродистая жидкая фаза — ликвад, который и за­твердевает на поверхности отливки в виде плен или капель.

Рис. 4.24. Дефекты на поверхности чугунной отливки: а) волнистость; б) выпот и металлические плены; в) углеродистая раковина (см. также с. 185)

Рис. 4.25. Газовая раковина в верхней части чугунной отливки

Углеродистые раковины, заполненные сажистым углеродом (рис. 4.24, в), — вид дефекта, чаще встречающийся на верхних по­верхностях отливки, реже — на боковых. Нижняя часть таких ра­ковин покрыта пленами блестящего углерода. Данный вид дефекта образуется в результате значительного скопления в верхней части отливки жидкой фазы при высокой скорости заливки формы ме­таллом. Раковины достигают иногда значительных размеров (глу­бина до 5 мм и более), что приводит к окончательному браку.

Газовые раковины (рис. 4.25) образуются в результате захвата металлом жидкой фазы термодеструкции модели, которая затем продолжает дестругировать в замкнутом объеме приповерхностно­го слоя отливки. Они образуются, как правило, в верхней части отливки в результате быстрой заливки формы.

Рис. 4.24. Окончание

Количество и вид поверхностных дефектов на чугунных отлив­ках зависят от скорости подъема металла в полости формы (рис. 4.26), температуры заливки металла и толщины стенки от­ливки (рис. 4.27).

VMe, см/с

Рис. 4.26. Зависимость количества дефектов на поверхности чугунной отливки от скорости подъема металла в полости формы

% поверх.

1200 1250 1300 1350 1400 1450 1500 1550

Рис. 4.27. Количество дефектов на поверхности чугунной отливки при толщине стенки: а) 10 мм; б) 20 мм; в) 40 мм: 1, 2 и 3 — чистая, волнистая и дефектная поверхности при применении противо­пригарного покрытия на модели; la-R 2а — чистая и дефектная поверхности без покрытия модели (см. также с. 187)

% поверх.

1200 1250 1300 1350 1400 1450 1500 1550

В

% поверх. 125 г

100 –

75 –

50 –

25 –

0 –

1200 1250 1300 1350 1400 1450 1500 1550

Рис. 4.27. Окончание

О 10 20 30 40 50 60 Толщина стенки отливки, мм

Рис. 4.28. Зависимость оптимальных скоростей подъема металла в полости формы от толщины стенки отливок из чугуна и стали: 1 — сталь; 2 — чугун

На рис. 4.28 даны оптимальные скорости подъема металла в полости формы в зависимости от толщины стенки отливки, обес­печивающие наилучшее качество ее поверхности [20].

При получении отливок из стали из-за высокой активности угле­рода в металле образования дефектов, характерных для чугунного литья, не происходит. Однако для стальных отливок характерны локальные зоны повышенной науглероженности, вплоть до образо­вания цементита. Характерными дефектами стальных отливок яв­ляются подкорковые газовые раковины (рис. 4.29), которые могут быть закрыты с поверхности тонким слоем металла.

Подкорковые газовые раковины могут поражать любую по­верхность отливки, но наибольшее количество их расположено на верхней (по положению отливки в форме) поверхности. Механизм образования указанных дефектов связан с жидкой фазой термоде­струкции модели. Капли жидкой фазы перемещаются с поверх­ности зеркала металла на границу металл—форма, однако значи­тельная ее часть прижимается к верхней части формы или накры­вается расплавом в нижней ее части в начале поступления жидко­го металла в форму, до того как образуется сплошной поток подъ­ема металла в форме. Так как скорость газификации жидкой фазы

Рис. 4.29. Поверхностные дефекты стальных отливок с толщиной стенки 20 мм при расчетной скорости заливки: а) 2-4 см/с; б) 8 см/с; в) 12 см/с; г) 16 см/с; д) 24 см/с

VJVn, %

16 24

Vp, см/с

20 –

10

16

24

Vp, см/с

А SnZS0, % 30

Рис. 4.30. Зависимость поверхностных (а) и объемных (б) дефектов на стальных отливках от скорости заливки при толщине стенок: 1 —10 мм; 2 — 20 мм; 3 — 40 мм (5пи Vn — площадь поверхности и объем отливки, пораженные дефектами; S0H V0 — общая площадь и общий объем отливки)

На порядок ниже скорости термодеструкции модели до газообраз­ного состава продуктов и скорости заливки формы металлом, тер­модеструкция жидкой фазы может продолжаться и после оконча­ния заливки. По мере термодеструкции жидкой фазы происходит выделение атомарного углерода, который, растворяясь в металле, снижает температуру кристаллизации сплава и увеличивает его жидкотекучесть. Расчеты показывают, что при температуре залив­ки среднеуглеродистых сталей (ЗОЛ, 45Л) 1500-1550 0C содержа­ние углерода в прилегающем к жидкой фазе слое металла может превысить 4,0 %, что снизит температуру начала кристаллизации на 200-250 °С. В результате при полном затвердевании основной массы металла в зоне термодеструкции жидкой фазы металл будет находиться в жидком состоянии, и под действием газового давле­ния в этой зоне будут формироваться газовые раковины закрытого (при малых объемах жидкой фазы) или открытого (при больших накоплениях жидкой фазы на границе металл—форма) типа. На образование газовых раковин существенное влияние оказывают плотность пенополистирола, скорость заливки формы металлом и толщина стенки отливки (рис. 4.30) [5].

При получении отливок из сплавов на медной основе жидкая фаза термодеструкции модели смачивает поверхность расплавлен­ного металла и равномерно растекается по всей границе металл— форма, образуя защитную парогазовую прослойку с восстанови­тельными свойствами газовой среды, что способствует предот­вращению окисления металла как в процессе его заливки, так и при последующей кристаллизации и охлаждении отливки. Уста­новлено, что, несмотря на хорошую растворимость водорода в сплавах на медной основе, газонасыщенность отливок при опти­мальных скоростях заливки формы не превосходит газонасыщен­ности отливок при их получении в песчано-глинистых формах по извлекаемым моделям. Если температура заливки бронзы БрОЦСН 3-7-5-1 равна 1200 0C, а толщина стенки находится в преде­лах 10-40 мм, максимальная растворимость водорода составляет 1,74— 2,18 см3/100г (в контрольных отливках, полученных по извлекаемым моделям, 0,94—1,15 см/100 г). Аналогичные результаты были получены при изготовлении отливок из бронзы БрАМц 9-2 и латуни ЛК80-30Л.

Рис. 4.31. Газовая раковина, образовавшаяся в результате захвата части жидкой фазы термодеструкции модели жидким металлом

При производстве отливок из алюминиевых сплавов основной составляющей продуктов термодеструкции модели является жидкая фаза, которая смачивает расплав, равномерно распределяясь по по­верхности отливки, не образуя поверхностных дефектов. Незначи­тельное количество газовой фазы имеет явно выраженные восстано­вительные свойства, которые предохраняют сплавы на основе алю­миния от окисления при их заливке в форму, последующей кри­сталлизации, а также при охлаждении отливки. Однако при скоро­сти заливки, превышающей оптимальную, в режиме охвата модели возможны захват металлом части жидкой фазы и образо­вание крупных внутренних га­зовых раковин (рис. 4.31). При низкой температуре заливки, без учета потерь тепла на тер – модесгрукцию модели, могут образовываться спаи (4.32). He – раскисленный и холодный ме­талл приводит к образованию газовой пористости (рис. 4.33), недоливам и другим дефек­там, характерным при заливке формы холодным металлом.

Рис. 4.32. Дефекты отливки из алюминиевого сплава: 1 — газовая пористость; 2 — металл; 3 — спай

1 2

Рис. 4.33. Пористость металла отливки из алюминиевого сплава: 1 — газовые поры; 2 — металл