5.1.1 Морщинистая корка на поверхности (отложение углерода) и её предотвращение при литье чугуна
Рисунок 1. Большая площадь морщинистой корки на верхней поверхности
1. Причина:
EPMMA、STMMA
При заливке расплава чугуна (серого чугуна, высокопрочного чугуна, легированного чугуна) в полость модели EPS, EPMMA или STMMA быстро разлагается. Между моделью и расплавом чугуна образуется зазор. В процессе разложения модели под воздействием нагрева образуются газовая, жидкая и твёрдая фазы. При этом формируется жидкий остаток вязкой битумоподобной консистенции. Этот жидкий остаток разложения остаётся во внутренней части слоя покрытия. Часть его поглощается покрытием, а другая часть образует тонкую плёнку между отливкой и покрытием. Эта плёнка формирует тонкий чешуйчатый, игольчатый или волнистый кристаллический углеродистый остаток — блестящий углерод. Блестящий углерод низкой плотности (рыхлый) плохо смачивается расплавом чугуна. Поэтому на поверхности отливки образуется отложение углерода (морщинистая корка).
2. Факторы влияния
(1) Пенополистироловая модель
EPMMA、STMMA
По сравнению с моделями из EPMMA или STMMA модели EPS легче образуют морщинистую корку. Это связано с тем, что содержание углерода в EPS выше, чем в EPMMA или STMMA. Содержание углерода в EPS составляет 92%. Содержание углерода в STMMA (сополимерной смоле стирола и метилметакрилата) составляет 69,6%. Содержание углерода в EPMMA (вспениваемой сополимерной смоле метилметакрилата) составляет 60%. Чем выше плотность модели, тем больше образуется жидких продуктов разложения и тем легче возникает морщинистая корка.
(2) Влияние состава литейного материала
В чугунных отливках с высоким содержанием углерода (легированном чугуне) часть углерода от разложения модели может растворяться в расплаве. Поэтому морщинистая корка образуется нелегко. В чугуне с высоким содержанием углерода (высокопрочном чугуне) дефект морщинистой корки возникает легче.
(3) Влияние литниковой системы
Рисунок 2. Конструкция литниковой системы нерациональна. Толщина отливки составляет 5 мм. Через один питатель заливается слишком много отливок.
Рисунок 3. После уменьшения количества отливок, обслуживаемых одним питателем, качество отливок стало очень хорошим.
EPS(EPMMA/STMMA
Литниковая система оказывает значительное влияние на поле течения и температурное поле расплава чугуна при заполнении формы. Она непосредственно определяет продукты разложения модели EPS (EPMMA или STMMA) и направление их движения: после увеличения площади поперечного сечения прямого, горизонтального и внутреннего литников легче образуется морщинистая корка (количество моделей увеличивается). При верхней заливке вероятность образования морщинистой корки ниже, чем при нижней заливке. Верхняя литниковая система способствует уменьшению морщинистой корки.
(4) Влияние конструкции отливки
Объём чугуна в отливке связан с отношением площади поверхности к объёму (количеством моделей). Чем меньше это отношение, тем лучше отводятся продукты разложения модели и тем ниже склонность к образованию морщинистой корки.
(5) Влияние температуры заливки
Рисунок 4. Морщинистая корка и неспай из-за низкой температуры заливки; температура отливки 1340℃
Рисунок 5. После повышения температуры заливки до 1440℃ дефекты морщинистой корки и неспая устранены.
При одинаковых условиях дефект морщинистой корки уменьшается или устраняется с повышением температуры заливки. При повышении температуры разложение модели под воздействием нагрева становится более полным; доля газообразных продуктов увеличивается, а доли жидких и твёрдых продуктов уменьшаются. Это способствует уменьшению или устранению явления образования морщинистой корки.
(6) Влияние газопроницаемости слоя покрытия и формовочного песка
Чем выше газопроницаемость слоя покрытия и формовочного песка, тем лучше отводятся продукты разложения модели и тем меньше склонность к образованию морщинистой корки. Поэтому для отвода газа и уменьшения образования морщинистой корки предпочтительны более тонкий слой покрытия, более крупный заполнитель покрытия и более крупные зёрна формовочного песка.
(7) Влияние степени разрежения
Чем выше степень разрежения, тем лучше продукты разложения модели при нагреве поглощаются и отводятся через слой покрытия и тем ниже вероятность образования или проявления морщинистой корки.
2. Меры предотвращения
EPMMA
(1) Использовать EPS или EPMMA низкой плотности в качестве материала модели
Для крупных отливок или прямого литникового стояка можно использовать полую модель и полый прямой литниковый стояк (для уменьшения объёма выделяющегося газа). Плотность модели составляет 16~18.
(2) Рациональная конструкция литниковой системы
Необходимо обеспечить спокойное, сбалансированное и быстрое заполнение полости модели расплавом чугуна, чтобы остатки пенополимера и воздух могли выходить из полости модели либо поглощаться слоем покрытия или зазорами сухого песка. В процессе заливки следует по возможности уменьшить расход тепла расплава чугуна на нагрев модели. Это способствует ускорению газификации модели. При верхней и боковой заливке, хотя морщинистая корка образуется реже, во внутренних частях легко возникают дефекты с повышенным содержанием углерода, поскольку падающая струя расплава захватывает продукты разложения модели. Нижняя заливка может уменьшить дефекты с повышенным содержанием углерода во внутренних частях отливки. Верхняя заливка, особенно для толстых и крупных деталей, легко приводит к образованию морщинистой корки.
Рисунок 6. При ступенчатой заливке расплав чугуна течёт стабильно и равномерно и быстро полностью заполняет модель отливки
(3) Повысить температуру и скорость заливки
(4) Рационально контролировать степень разрежения
Поскольку в условиях разрежения и вакуума недостаточно кислорода, модель в процессе заливки в основном газифицируется и лишь немного сгорает. Объём отводимого воздуха значительно уменьшается (104 г пенопласта образуют 1000 л газа при горении в воздухе при 1000℃; в условиях недостатка кислорода образуется только 100 л газа). Одновременно этот газообразный продукт своевременно поглощается сухим песком. Давление в зазоре между расплавом чугуна и моделью снижается. Скорость заполнения модели расплавом чугуна увеличивается, что способствует разложению модели.
(5) Для повышения газопроницаемости слоя покрытия выбрать соответствующее покрытие.
5.1.2 Отложение углерода в стальных отливках и его предотвращение
1. Причина возникновения
EPMMA、STMMA
Материал пенополимерной модели EPS (или EPMMA, STMMA) разлагается под воздействием высокотемпературного расплава стали. Продукты разложения вступают в химическую реакцию с расплавом стали. Одновременно под воздействием покрытия и сухого формовочного песка протекает сложный физико-химический металлургический процесс, в результате которого образуется науглероживание (отложение углерода).
2. Меры предотвращения
EPMMA
(1) Использовать EPS или EPMMA низкой плотности в качестве материала модели.
(2) Спроектировать рациональную литниковую систему.
Конструкция модели отливки и технологического процесса должна ускорять газификацию материала модели, сокращать и изменять время контакта и реакции жидких и твёрдых продуктов его разложения, а также уменьшать или предотвращать поглощение углерода стальной отливкой.
(3) Выбрать подходящие температуру и скорость заливки.
(4) Рационально контролировать степень разрежения.
Степень разрежения следует контролировать с учётом всего процесса и скорости заливки. При слишком высокой степени разрежения легко возникают пригар и другие дефекты. При слишком низкой степени разрежения продукты разложения при нагреве отводятся с трудом, что легко приводит к отложению углерода.
(5) Для повышения газопроницаемости слоя покрытия выбрать соответствующее покрытие.
(6) Добавлять в модель присадки (декарбюризатор), чтобы предотвратить углеродное
отложение в стальной отливке.
(7) Использовать антидекарбюризаторное покрытие.
В покрытие следует добавлять определённое количество катализатора, препятствующего науглероживанию, например соли щелочных металлов и известняковый порошок. После заливки покрытие может разложить достаточное количество углекислого газа для поглощения углерода. В покрытие можно добавлять окислитель, чтобы углерод и водород, образующиеся при разложении модели, превращались в нейтральный газ и чтобы предотвращать или уменьшать проникновение углерода в стальные отливки.
5.1.3 Выброс расплава и его предотвращение
1. Причина возникновения
Недостаточная степень разрежения является основной причиной выброса расплава.
Существует множество причин, влияющих на степень разрежения: высокая плотность модели, плохая газопроницаемость сухого песка, плохая газопроницаемость покрытия, слишком высокая температура заливки и слишком высокая скорость заливки, нерациональная конструкция литниковой системы и другие.
2. Меры предотвращения
0.013~0.022g/cm3
(1) Плотность модели EPS следует поддерживать в пределах 0.013~0.022g/cm3. Модель должна быть высушена. Покрытие также должно быть высушено. Следует уменьшить содержание воздуха (влаги) и выделение газа.
(2) Следует повысить газопроницаемость покрытия и отрегулировать его толщину, чтобы воздух после разложения модели своевременно выходил.
(3) Следует контролировать газопроницаемость сухого песка. Запрещается смешивать сухой песок с различной крупностью. Песок будет препятствовать газопроницаемости. Пыль из сухого песка следует удалять насколько возможно.
(4) Следует контролировать температуру и скорость заливки, то есть скорость заполнения формы, чтобы обеспечить газификацию модели.
(5) Следует рационально спроектировать литниковую систему и обеспечить спокойное, равномерное и быстрое течение металлического расплава при заполнении формы, чтобы полностью заполнить полость модели отливки и обеспечить выход газа, образовавшегося при разложении модели, из полости модели.
5.1.4 Газовая раковина и её предотвращение
Процесс выделения газа при разложении модели для литья по газифицируемым моделям: газ проникает в отливку и образует газовую раковину.
1. Причина:
(1) В процессе заполнения формы возникает турбулентность. При верхней или боковой заливке некоторые модели окружаются металлическим расплавом и разлагаются. Образовавшийся газ не может выйти из металла, что приводит к газовым раковинам. Эти газовые раковины крупные, многочисленные, образуют скопления и содержат сажу.
(2) Модель и слой покрытия высушены недостаточно хорошо. Это приводит к образованию газовых раковин.
(3) Избыточное количество связующего для моделей приводит к образованию газовых раковин.
(4) В процессе заливки в расплав вовлекается воздух, образуя газовые раковины.
(5) Температура заливки слишком низкая. Модель не может полностью газифицироваться, что приводит к образованию газовых раковин.
Рисунок 7. Низкая температура заливки приводит к образованию газовых раковин.
(6) В процессе заливки вовлечённые шлаки или покрытие приводят к образованию газовых раковин.
Рисунок 8. Вовлечённый шлак приводит к образованию газовых раковин.
(7) Покрытие с недостаточной огнеупорностью и его реакция с компонентами расплава чугуна приводят к реакционным газовым раковинам.
Рисунок 9. Недостаточная огнеупорность покрытия
2. Меры предотвращения
(1) Рациональный технологический процесс должен обеспечивать последовательное вытеснение модели при заполнении формы без турбулентности. Следует повысить температуру заливки и степень разрежения (если газовая раковина образуется из-за турбулентности, степень разрежения можно уменьшить). Следует повысить газопроницаемость слоя покрытия и формовочного песка.
(2) Модели должны быть высушены. Слой покрытия также должен быть высушен.
(3) Следует выбирать связующее для моделей с низким газовыделением. При условии обеспечения достаточной прочности чем меньше связующего, тем лучше.
(4) Использовать закрытую литниковую систему. В процессе заливки в литниковой чаше следует поддерживать определённый уровень металлического расплава, чтобы прямой литниковый стояк оставался заполненным.
5.1.5 Обрушение опоки и его предотвращение
В процессе заливки или затвердевания некоторые или все модели отливки обрушаются или рассыпаются.
Рисунок 10. Обрушение опоки
Причина
Подъёмная сила металлического расплава при заливке слишком велика. Давление воздуха в модели отливки слишком высокое. В модели имеются пустоты или недостаточная прочность. Металлический расплав движется внутри и оказывает ударное воздействие. Опока перемещается, отдельные части моделей отливки разрушаются и так далее.
Меры предотвращения
(1) Следует увеличить толщину слоя песка на верхней поверхности или установить прижимной груз в верхней части модели отливки.
(2) Следует выбирать материал модели низкой плотности, чтобы изготавливать модели и уменьшать объём выделяющегося газа.
(3) При литье под разрежением следует выбирать рациональную степень вакуума с учётом скорости заливки.
(4) Следует выбирать покрытие с высокой прочностью, высокой огнеупорностью, хорошей газопроницаемостью и высокими эксплуатационными характеристиками, а также рациональный процесс нанесения покрытия.
(5) Следует использовать крупный песок и своевременно удалять пыль из формовочного песка.
(6) Параметры вибрационной формовки должны быть рациональными, чтобы обеспечить уплотнение сухого песка во всех частях модели отливки.
(7) Литниковая система и процесс заливки должны быть рациональными.
5.1.6 Пригар и его предотвращение
На некоторых или всех поверхностях отливки удерживается формовочный песок, который трудно удалить.
1. Причина
(1) Слой покрытия слишком тонкий, отслаивается или растрескивается. Температура заливки слишком высокая, степень разрежения слишком большая и так далее.
Рисунок 11. В зоне перегрева при высокой температуре
покрытие слишком тонкое, что приводит к пригару.
(2) Незаполненный участок при засыпке песком или вовлечение железа в песок из-за недостаточной вибрации.
Рисунок 12. Вовлечение железа в песок
2. Меры предотвращения
(1) Следует выбирать покрытие с хорошими эксплуатационными характеристиками, которое прочно сцепляется с моделью и обладает достаточными прочностью и огнеупорностью.
(2) Степень уплотнения формы не должна быть чрезмерной, чтобы не разрушить слой покрытия.
(3) Следует выбирать рациональную степень разрежения.
(4) Температура заливки не должна быть слишком высокой.
5.1.7 Неспай (огневой), холодный спай, недолив и их предотвращение
На отливке имеется неполностью сплавившийся зазор. Его соединительный край имеет гладкую форму зацепления. Такой зазор называется неспаем (огневым). На поверхности имеется явный след огня. В тяжёлых случаях образуется холодный спай. Если некоторые участки заполнены не полностью и в отливке отсутствуют отдельные части, торец имеет дугообразную форму; такой дефект называется недоливом.
Рисунок 13. Недолив
1. Причина образования:
температура заполнения формы слишком низкая, а скорость низкая. Литниковая система, конструкция и операция заливки выполнены неправильно. В процессе заполнения формы степень разрежения слишком высокая.
2. Меры предотвращения
(1) Следует повысить температуру заливки металлического расплава.
(2) Следует усовершенствовать литниковую систему и повысить скорость заполнения формы.
(3) Следует контролировать надлежащую степень разрежения.