ОСНОВЫ ТЕОРИИ КОКИЛЬНЫХ ПОКРЫТИЙ | Металлолом

1. НАЗНАЧЕНИЕ И КЛАССИФИКАЦИЯ ПОКРЫТИЙ

Назначение покрытий кокилей весьма многообразно. С помощью покрытий управляют условиями охлаждения (затвердевания) отливки, предохраняют рабочую стенку кокиля от термического удара и эрозионного воздействия, создают в форме определенную газовую атмосферу, повышают смачиваемость поверхности кокиля расплавом, обеспечивают поверхностное модифицирование и леги­рование отливки, изменяют газопроницаемость вент, воздействуют на силу трения между отливкой и кокилем. Однако основное назначение покрытий кокилей —управление теплообменом между отливкой и формой. Так как участие покрытий в этом процессе опре­деляется величиной параметрического критерия XiIX1, то все покрытия можно разделить на две группы: тонкослойные и толсто­слойные, или облицовки (см. гл. II).

На практике применяют покрытия различной долговечности. В связи с этим их целесообразно условно разделить на три под­группы — разовые, многоразовые и постоянные. Под постоян­ными понимают такие покрытия, долговечность которых соизме­рима с межремонтным сроком формы. К ним, например, относятся покрытия, напыленные пламенным или плазменным способом, полученные методами электрохимической или химико-термиче­ской обработки и др.

Покрытия обеих групп могут им’еть слоистое строение. Для первой группы (тонкослойные) характерно следующее сочетание: полупостоянный или постоянный подслой и разовая краска. Покрытия второй группы (толстослойные) часто включают кроме облицовки тонкий полупостоянный или постоянный подслой и разовую краску.

Покрытия должны обладать определенными термофизическими, термомеханическими, термохимическими и технологическими свой­ствами. Понятно также, что простота нанесения (восстановления) и долговечность являются важнейшими характеристиками покрытий.

В настоящей главе рассматриваются явления, происходящие в покрытиях. Анализируются эксплуатационные свойства спе­циальных покрытий — постоянных и облицовок. Сведения о кон­кретных составах обычных кокильных красок приведены в третьем разделе, где речь идет о литье различных сплавов.

2. ТЕРМОФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

Расчетные зависимости. Какие именно термофизические харак­теристики важны для покрытий различных групп, видно из формул гл. II: для тонкослойных —теплопроводность, для тол­стослойных (облицовок) — весь комплекс стандартных характе­ристик.

Покрытия кокилей являются гетерогенными системами различ­ной структуры. Перенос теплоты через такие тела осуществляется теплопроводностью, радиацией и конвекцией (естественной и вынужденной). Этот процесс в ряде случаев осложняется терми­ческими эффектами и массопереносом вследствие фазовых и хими­ческих превращений [25, 118]. Поэтому теплопроводность покрытия X представляет собой эффективную характеристику способности проводить теплоту.

Теплопроводность является структурно-чувствительным свой­ством. Для покрытий кокилей характерны три структуры: с вкрап­лениями, с взаимопроникающими компонентами и комбиниро­ванные. Примером структуры с вкраплениями могут служить песчано-смоляные, песчано-жидкостекольные и керамические об­лицовки. Минеральный наполнитель в таких покрытиях находится в виде почти неконтактирующих включений. Структуру из взаи­мопроникающих компонент имеют покрытия с волокнистым напол­нителем. Весьма распространены комбинированные системы: матрица структуры с вкраплениями представляет собой ком­позицию из континуальных фаз — порового пространства и свя­зующего.

Подробный анализ особенностей теплопереноса во всех трех системах и соответствующие формулы для определения X можно найти в монографии Г. Н. Дульнева и Ю. П. Заричняка [54]. Остановимся, в частности, на анализе формулы, полученной В. И. Оделевским для расчета теплопроводности тела с вкрапле­ниями одного качества:

1

(59)

-Vm)»’

Пг

(1 – Ях)3-

Здесь vM == X1IXm-, X1 и —теплопроводности матрицы—фазы, в которой находятся соответственно вкрапления и включения; II1 — объемная концентрация. твердой фазы включения. Для покрытий II1 вычисляют следующим образом:

Где K1 — удельное содержание включения; р, P1 —¦ плотность соответственно покрытия и включения.

Анализ показывает, что основные структурные составляющие пористых покрытий кокилей имеют значения X, различающиеся на 2—3 порядка. Следовательно, параметр vM, входящий в формулу

(59), приобретает значение vM > 1. В этом случае формула (59) упрощается:

Я = (60)

Где Пм — относительный объем матрицы.

В подавляющем большинстве разовых и полупостоянных по­крытий в роли матрицы выступает поровое пространство, тогда Пм ^ Пу, где Пу — пористость. Учитывая это и формулу (60), заключаем, что перенос теплоты в рассматриваемых покрытиях определяется пористостью и теплопереносом в порах. Таким обра­зом, теплоизоляционные свойства кокильных покрытий зависят от их структуры не в меньшей степени, чем от состава. р Величина А, м, в свою очередь, является эффективной харак­

Теристикой:

^M = К + ^мл + К, (6I)

Где Хл, ЯмЛ и Xk —лучистая, молекулярная и конвективная со­ставляющие теплопроводности матрицы. Анализ эксперименталь­ных данных с помощью формулы (60) и (61) показал, что в обыч­ных условиях литья теплоперенос в поровом пространстве осу­ществляется в основном лучеиспусканием и истинной теплопро­водностью, а роль конвективного теплопереноса пренебрежимо мала.

Из формул (60) и (61) следует, что основными факторами при создании покрытий с заданными свойствами являются пористость и состав газообразных продуктов, находящихся в порах (коэффи­циенты излучения материалов, которые обычно входят в покры­тия, различаются между собой не очень сильно). Так, увеличение пористости с 0,3 до 0,4, т. е. на 33%, повышает X на 45%, а замена азота в поровом «пространстве на водород приводит к росту Xmji почти на порядок.

Удельная теплоемкость является вполне аддитивным свой­ством. Поэтому определение этой термофизической характеристики расчетным путем затруднений не вызывает.

Экспериментальные данные. В монографии [17] дано фунда­ментальное обоснование экспериментальных методов определения теплопроводности тонкослойных покрытий: метода заливки, на­мораживания и погружения, Там же приведены многочисленные опытные данные для разовых и полупостоянных составов.

В табл. 3 и 4 в качестве примера указаны значения тепло­проводности некоторых кокильных покрытий [11, 21]. Испыта­ния проводили методами заливки и погружения.

Сведения о теплопроводности и пористости газопламенных и плазменных покрытий приведены в работе [147]. Из них сле­дует, что с повышением температуры теплопроводность увеличи-

Таблица 3

Теплопроводность некоторых характерных кокильных покрытий [21]

Состав, %

По массе

Номер покрытия

Я –

О Л § § §

Ji о о Sac

Коллои­дальный графита

Маршалит

Прокален­ный тальк

Огнеупор – I ная глина I

Древесные, мелкие I

ОПИЛКИ I

, Марганцо – I вокислый I калий

Пектино­вый клей

Оглаилин – ский бенто­нит

Мылонафт

Жидкое стекло

Вода

2

S?

M Л

1 * 2 **

3

4

5

6

12,4 20

53,4 1,7

20 32

15

6,15

1,2

0,15

3

3,4

0,2

2,5 3,3 10,5 3

40

62.5

82.6 50 77

0,5

0,465

0,245

0,175

0,163

0Д20

* Анодная пленка на кокнле из ** Паста ГБ.

Сплава АЛ9.

Таблица 4

Теплопроводность тонкослойных кокильных покрытий, определенная методом погружения в жидкий чугун [11]

Состав, мае.

Ч.

J № покрытия

Прокален­ный тальк

Маршалит

Молотый шамот

Огнеупор­ная глнна

Каолин

Черный графит

Г

Молотый ферросили­ций

‘ Жидкое стекло

Вода

X, Вт/(м ¦ К)

I

1

2

3

4

5

25

10

25

35 20

25 30

5

20

12 35

35

5 5 15 18

70 100 , 100 До густоты пасты До плот­ности 1800 кг/м3

0,287 0,418 0,366 0,535

0,379

Вается, а при 1273 К теплопроводность газопламенных и плаз­менных покрытий из окиси алюминия достигает уровня тепло­проводности наиболее теплопроводных разовых и многоразовых составов.

Экспериментальный метод определения коэффициента темпе­ратуропроводности покрытий второй группы (облицойок) пред­ложен на основе уравнения (19), описывающего температурное поле облицованного кокиля на стадии затвердевания отливки. В случае, когда внешняя поверхность кокиля теплоизолиро­вана, а между отливкой и облицовкой, как и между облицов­кой и кокилем, термический контакт является идеальным («х = Oc2 = оо), уравнение может быть решено относительно аоб.

Составы исследованных облицовок и найденные в экспери­ментах значения их термофизических свойств приведены в табл. 5. Анализ табличных данных показывает, что с увеличением тем­пературы заливаемого металла значения X06 и аоб возрастают. Объясняется это увеличением передачи теплоты в порах облицовки путем радиации, т. е. величины Я, л.

Таблица 5

Термофизические свойства разовых песчаио-смоляных облицовок

Состав, %

По массе

Заливка алюминием

Залнвка чугуном

№ состава

О аср, где оср — прочность сцепления покрытия с кокилем при испытании на срез.

Из выражений (62) и (63) следует, что вероятность растрески­вания и отслоения покрытия от кокиля тем’выше, чем больше коэффициент термического расширения атз, модуль упругости E3 и температура 03. Значения атз для некоторых газопламенных и плазменных покрытий указаны в работе [147]. Термическое расширение песчано-смоляных облицовок натцирконовом напол­нителе примерно в 3 раза меньше, чем на кварцевом.

Способность покрытия выдерживать термомеханическое воз­действие может быть оценена параметром Пг — отношением предела прочности покрытия (Гв, к напряжениям, вызванным температурой. Учитывая формулу (62), имеем

H1 = Ст»з(1~Уа). (64)

Величину Jli целесообразно находить для наиболее тяжелых условий термического нагружения. Такие условия возникают на рабочей поверхности покрытия при идеальном контакте расплава q формой. Так как коэффициент аккумуляции теплоты материала отливки (металла) значительно больше коэффициента аккуму­ляции теплоты материала покрытия (неметалла), то

«3(Е~Г3)- (64′)

Из выражения (64′) видно, что механическая теплостойкость за­висит от заливаемого в кокиль металла (значения взал)- Значе­ние Ui тем выше, чем больше при температуре заливки 0Вз— и меньше атз. Широко известная литейщикам повышенная тепло­стойкость песчано-смоляных смесей на цирконовом песке объяс­няется тем, что атз этого материала меньше, чем кварцевого песка. Пределы изменения коэффициента Пуассона невелики. Поэтому роль V3 мала.

Эрозия покрытия (разрушение поверхности тела при течении жидкости или газа) снижает теплозащитные свойства покрытия и приводит к дефектам в отливках: засорам, наплывам, шерохо­ватости и т. д. Отрыв частичек с поверхности формы происходит в случае, когда скоростной напор расплава становится равным пределу прочности покрытия в тонком поверхностном слое или больше его. Следовательно, параметром гидродинамического уноса вещества с поверхности формы является выражение

Я2 = ^. (65)

Pi»2

Температурная зависимость прочности покрытий первой группы не изучена. Благополучнее обстоят дела с покрытиями второй группы. Многие ученые исследовали влияние температуры на прочность обычных формовочных смесей, в том числе и таких, которые применяют в качестве облицовок кокилей. Эксперимен­тальные данные могут быть аппроксимированы параболой, про­ходящей через две точки: максимальную температуру То, при которой сохраняется прочность сВзо, определенная при нормаль­ных условиях, и температуру Tp, при которой наступает полное разупрочнение смеси. Соответствующая функция имеет вид

0B3 = 0B3O (уЧт^)™» (66)

SiP ‘о

Где m — показатель параболы. На основании экспериментов для песчано-смоляной облицовки можно принять m = 3. Фор­мула (66) справедлива, если Т’а < T3 с Tv. При T3 < Т’0 сВз = = 0Взо, при T3 > Tp 0Вз = 0.

Зависимость (66) сильно осложняет анализ эрозионной стой­кости покрытия. Дело в том, что при снижении скорости заливки уменьшается скоростной напор, но повышается температура нагрева рабочей поверхности формы (вопрос этот подробно рас­смотрен в гл. II) и, следовательно, падает прочность.

,»= 500 Bmf(M-R)

9′

8

7 6

5 Ч J 2 1

1

4

* -7

Z

3

О

LgfU

«=WOOBmf(M-K)

8 7 6 5

J 2

О

U = 0,05

Рис. 36. Изменение параметра гидродинамического уноса поверхности облицовки пото­ком расплава в зависимости от скорости а и безразмерной координаты л

S

Lg П,

На рис. 36 представлены кривые, рассчитанные по формуле (65) для примера, рассмотренного в параграфе 3 гл. II (заливка чугуна в кокиль, облицованный песчано-смоляной смесью). При этом учитывалась зависимость (66), в которой было положено Tq — 420 К и Tp= 720 К – Анализ кривых на рис. 36 показывает следующее. При значительном падении

Scroll to Top