«Характер металла»

Еще более буйный «характер» имеет жидкий металл, и проявляет он его особенно интенсивно, если нарушена технология изготовления формы. Жидкий металл весьма агрессивен по отношению к форме. Имея высокую температуру, сложный химический состав, значительную массу (плотность чугуна около 6900 кг/м³, стали — 7000 кг/м³), жидкий металл оказывает значительное динамическое воздействие на элементы формы при ее заливке, стремится к химическому взаимодействию с формовочным материалом и вступает в интенсивное тепловое взаимодействие с формой. Особенность металла заключается в том, что при расплавлении его и перегреве происходит насыщение расплава газами: кислородом, азотом, водородом. Растворенные газы, особенно кислород, вступают во взаимодействие с компонентами металла, образуя окислы, в частности окислы железа.

При заливке формы происходит дополнительное окисление металла и образование окислов железа. При соприкосновении окисленного металла с формой окислы железа вступают в химическое взаимодействие с кремнеземом, образуя силикатные соединения типа легкоплавкого фаялита 2FeO-SiO₂, которые проникают глубоко в поры формы, в результате чего образуется так называемый химический пригар. Как правило, химическому пригару сопутствует механический, в результате чего на поверхности отливки образуется трудноотделимая силикатная, армированная металлом «шуба». Но на этом «коварство» газа не кончается. При охлаждении металла растворимость газов в нем уменьшается, и они стремятся выйти из расплава. Однако этому мешает образовавшаяся твердая корочка металла на границе раздела металл—форма. В результате образуются как подкорковые, так и беспорядочно разбросанные по всему объему затвердевшей отливки газовые раковины. В образовании газовых раковин в металле участвуют и появившиеся окислы. Так, окислы железа в металле вступают во взаимодействие с углеродом, в результате чего железо восстанавливается, зато выделяется окись углерода, которая и формирует газовую раковину.

Реакция протекает следующим образом:

FeO + C → Fe + CO;
FeO + CO → Fe + CO₂.

Но самые большие неприятности связаны с усадочными явлениями, происходящими в металле при его затвердевании. Мы уже говорили ранее, что при затвердевании линейные размеры отливки и объем металла уменьшаются на величину линейной и объемной усадок. Все сплавы кристаллизуются последовательно слоями, начиная от более холодных стенок формы. Это связано с интенсивной теплоотдачей от металла к стенкам формы, в результате чего форма нагревается, а прилегающие слои металла охлаждаются до температур ниже температуры плавления.

Схематично процесс затвердевания можно представить так, как показано на рис. 33. Сначала затвердевает наружный слой а, затем слои б, в, г и т. д. Но так как металл имеет объемную усадку, в центре отливки образуется пустота или усадочная раковина. Усадочная раковина уменьшает живое сечение отливки, что приводит к преждевременному выходу из строя деталей при эксплуатации машин. Но и это еще не все.

Последовательная кристаллизация расплава происходит в результате роста разветвленных кристаллов. Эти кристаллы напоминают деревья с ветвями, расположенными под прямым углом одна к другой. Два (и более) соседних кристалла, смыкаясь отростками-ветвями, образуют замкнутые микрообъемы жидкого металла. В этих микрообъемах продолжается процесс кристаллизации с уменьшением объема, в результате чего образуются мелкие усадочные поры или микропоры. Зачастую эти микропоры становятся резервуарами для сбора газа, выделяющегося из металла. В этом случае образуются газоусадочные поры, которые под давлением скопившегося газа расширяют свои границы. Понятно, что образование микропористости — явление нежелательное и вредное, оно снижает механическую прочность металла и его пластические свойства.

Итак, процесс формирования отливки в литейной форме происходит в результате охлаждения металла и его кристаллизации, которая сопровождается выделением избытка растворимых газов, химическим взаимодействием металла с формой на границе металл—форма, образованием усадочных раковин и газоусадочной микро- и макропористости. Но как же бороться со всеми этими пороками металла и можно ли вообще получить годную отливку в таком случае? Разумеется, можно. Для этого имеются соответствующие технологические приемы изготовления формы, позволяющие управлять процессом формирования отливки и получать высококачественное литье. Прежде всего это правильно спроектированная и качественно изготовленная формовщиком литниково-питающая система, которая включает систему подвода металла в форму при ее заливке и прибыль. Назначение прибыли — постоянно подпитывать отливку при затвердевании и таким образом компенсировать объемную усадку металла. После охлаждения отливки прибыль отделяют от нее и отправляют на переплав.

Одним из приемов воздействия на кристаллизацию металла является создание условий его направленного затвердевания. Это достигается созданием в определенных местах формы участков повышенной теплопроводности в результате применения специальных смесей или металлических вставок, называемых холодильниками. Холодильник должен обеспечить более интенсивный отбор тепла от металла по сравнению с остальными частями формы или создать условия одновременного затвердевания тонких и толстых частей отливки. Холодильники бывают и внутренние. Пример применения таких холодильников при изготовлении формы шабота показан на рис. 20.

Как правильно установить литниковую систему, прибыли, холодильники, убрать из металла газы, воздействовать на металл в процессе его заливки и кристаллизации с целью укрощения его «характера», чтобы получить высококачественную отливку? Чтобы ответить на все эти вопросы, надо знать основы теории литейных процессов и полностью и качественно соблюдать технологию изготовления литейной формы.