Защитное влияние присадки ВМ и составы формовочных смесей

Присадка ВМ содержит:

- борную кислоту H₃BO₃……………………………………….(13-17)%

- мочевину CO(NH₂)₂……………………………………………(55-62)%

- нефелиновый коагулянт Al₂(SO₄)₃·18H₂O……………….…..(15-19)%

По данным дериватографического анализа, при нагреве при температуре (130-230)⁰ С теряется примерно 40% массы присадки ВМ и при температуре (230-300)⁰ С — еще около 30%. Поэтому при применении  присадки ВМ формы не должны подвергаться высокотемпературной сушке.

В первые моменты заливки, когда поверхностные слои формы еще не прогрелись до указанных температур, защита металла от загорания осуществляется путем припыливания литниковых каналов и прибылей серным цветом, а поверхность сухих стержней окрашивается защитной краской.

После прогрева формы происходят реакции:

1. Разложение мочевины:

CO(NH₂)₂ + H₂O →CO₂↑ + 2NH₃↑

2NH₃ → N₂↑ + 3H₂↑                              (3.2),

в результате чего происходит связывание водяных паров, выделяющихся при прогреве формы, и уменьшение кислорода в форме за счет разбавления воздушной среды формы углекислым газом, аммиаком, азотом и водородом.

2. Гидролиз сернокислого алюминия и взаимодействие продуктов гидролиза с окисью магния и магнием:

Al₂(SO₄)₃ + H₂O → AlOHSO₄ + H₂SO₄

H₂SO₄ + MgO → MgSO₄ + H₂O↑               (3.3).

H₂SO₄ + Mg → MgSO₄ + H₂↑

В результате также происходит связывание влаги и уменьшение окислительного потенциала газовой среды в форме.

3. Разложение борной кислоты и восстановление борного ангидрида до бора, который внедряется в поверхностные слои отливки, уплотняя их:

2H₃BO₃ → B₂O₃ + 3H₂O

B₂O₃ + 3Mg → 3MgO + 2B       (3.4).

Таким образом, защитное действие присадки ВМ складывается из 3 факторов:

1. Связывания паров воды и уменьшения окислительного потенциала газовой среды в полости формы.

2. Образования на поверхности металла плотных пленок из сульфатов магния.

3. Восстановления бора из борного ангидрида и внедрения его в поверхностный слой отливки.

Содержание добавки ВМ зависит от влажности формовочной смеси. Для уменьшения добавки необходимо применять формовочные смеси с минимальной влажностью. В большинстве случаев содержание ВМ в формовочной смеси составляет (4-7)% и только для крупных отливок массой более 300 кг и толщиной стенок более 30 мм содержание добавки ВМ в составе формовочной смеси может доходить до 9%. Введение в формовочную смесь до (0,5-1,0)% диэтиленгликоля позволяет снизить влажность формовочных смесей.

В зависимости от организации технологического процесса и масштабов производства в литейном цехе магниевого литья могут применяться 3 типа смесей: единая, облицовочная, наполнительная.

Технологически и организационно проще применять единую формовочную смесь, для приготовления свежих составов которой  применяют:

1. просушенные непросеянные кварцевые или тощие пески (ГОСТ 2138-91);

2. просушенные, размолотые и просеянные глины формовочные огнеупорные (ГОСТ 3226-93), в количестве (5-7)% при использовании кварцевых песков и (1-3)% при использовании тощих песков;

3. просеянная присадка ВМ;

4. вода в количестве (4,5-5,5)%.

После каждого цикла оборота единая формовочная смесь освежается на (3-10)%.

Приготовление смеси сводится к подготовке свежих материалов, загрузке в бегуны или смеситель материалов в следующей последовательности: оборотная смесь, присадка ВМ, свежие пески, глина (бентонит в порошке или в виде водного раствора), вода до нормы. Защитную присадку вводят из расчета: на свежие пески — 100% от нормы, положенной по составу; на оборотную смесь — 0,5% при литье отливок массой до 100 кг и 1,0% при литье отливок массой свыше 100 кг. Корректировка содержания присадки ВМ осуществляется по результатам химического анализа, проводимого не реже одного раза в неделю.

Облицовочную смесь применяют в том случае, когда имеющееся в цехе оборудование не позволяет переработать всю оборотную формовочную смесь или когда по каким-то причинам невозможно работать на единой формовочной смеси. Приготовление облицовочной смеси осуществляется на свежих материалах в соответствии с заданным составом. Количество облицовочной смеси составляет 10-25% от общей массы смеси.

Переработка наполнительной смеси складывается из операций: просеивание оборотной формовочной смеси → увлажнение до нормы → перемешивание примерно 5 минут → вылеживание в течение 2-4 часов → разрыхление → просеивание через сито с размером ячеек 20×10 мм. Освежение смеси в случае применения облицовочных смесей не требуется.

Составы стержневых смесей

Повышение прочности стержней за счет сушки их при температуре выше 130⁰ С не позволяет использовать добавку ВМ в качестве защитной присадки ввиду ее разложения. Поэтому в стержневые смеси в качестве защитных добавок вводятся сера и борная кислота. Защитное действие их сводится к следующему. Сера, температура плавления которой равняется  (112-119)⁰ С при нагреве стержня расплавляется, а при охлаждении его кристаллизуется снова. При повторном нагреве под влиянием температуры залитого металла происходит повторное расплавление и испарение серы. Ниже приводятся значения упругости паров серы при различных температурах:

которые показывают, что при температуре около 380⁰ С парциальное давление паров серы может доходить до трети атмосферного давления. Пары серы при взаимодействии с кислородом окисляются до сернистого ангидрида SO₂, который, будучи в 2,7 раза тяжелее воздуха, разбавляет газовую среду формы на границе контакта металла со стержнем и делает ее менее реакционноспособной по отношению к металлу. В присутствии кислорода сернистый ангидрид окисляется до серного ангидрида (SO₃). Последний, взаимодействуя с влагой, образует серную кислоту. Серная кислота, соединяясь с магнием, образует сульфаты магния, находящиеся на поверхности металла.

Борная кислота разлагается с образованием в конечном итоге элементарного бора, который уплотняет поверхностную пленку. Таким образом, защитное действие серы и борной кислоты сводится к тем же факторам, как и защитное действие добавки ВМ.

Защитное влияние пленок, образующихся на границе сплава с формой, зависит от состава пленки, который определяет величину критерия Пиллинга и Бедворта (отношение объема образовавшейся пленки к объему металла, израсходованного на образование этой пленки). В таблице 3.1 приведены критерии Пиллинга и Бедворта (α = ) для некоторых соединений магния.