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:
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 |