Мероприятия по повышению химической инертности форм

Формы для литья титановых сплавов обладают недостаточной химической инертностью. В результате в период затвердевания и охлаждения металла между отливкой и формой развиваются физикохимические процессы, которые приводят к увеличению содержания вредных примесей (кислорода, азота, водорода, углерода и др.) в металле отливки и, особенно, в ее поверхностном слое. Примеси увеличивают твердость, прочность металла и резко снижают пластические характеристики. Значительно снижается предел усталости, заметно ухудшаются эксплуатационные характеристики литых деталей. Повышенное содержание примесей в металле позволяет в большинстве случаев использовать для повторной переплавки литейные отходы, так как примеси, за исключением водорода, не удаляются из металла при его расплавлении.

Поэтому одной из основных проблем фасонного литья из титановых сплавов является разработка технологических мероприятий, способствующих повышению инертности литейных форм.

Углеродные материалы но сравнению с керамическими являются более инертными по отношению к титану. Однако, обладая развитой пористостью, они сорбируют значительное количество газов. При нагреве формы затвердевающим металлом эти газы выделяются из формы и вступают в химическое взаимодействие с металлом отливки. Кроме того, значительное количество газов выделяется из формы за счет термодеструкции связующего вещества - фенолформальдегидной смолы (бакелитового лака). В процессе обжига форм (800... 1000 °С) фенолформальдегидная смола превращается в кокс, который прочно соединяет зерна графита. В структуре кокса содержатся радикалы -ОН, -Н.

Так как поверхностные слои формы в период охлаждения отливки нагреваются до высоких температур (1200... 1600 °С)_; происходит термодеструкция кокса, которая сопровождается выделением значительного количества газов. Поэтому с ростом содержания связующего вещества газосодержание углеродных форм возрастает. Наибольшее количество связующего вещества содержится в графитовых формах, изготовленных по выплавляемым моделям, а наименьшее - в прессованных графитовых формах. Инертность углеродных форм можно повысить путем технологических мероприятий, способствующих более низкому газосодержанию литейных форм. Так, повышение температуры обжига с 1000 до 1500... 1800 °С, уменьшение содержания связующего вещества в формовочной смеси, исключение контакта обожженной формы с атмосферой воздуха на этапе ее подготовки к заливке и т.д. значительно уменьшают газотворность форм.

В случае изготовления отливок в керамических формах получают развитие обменные химические реакции титана с материалом литейной формы, а также с газообразными продуктами, выделяющимися из формы при ее нагреве (диссоциация оксидов, испарение компонентов и др.).

С целью повышения инертности применяют комбинированные (многослойные) формы, внутренний (рабочий) слой которых обладает определенными свойствами, снижающими загрязнение металла отливки примесями в период ее формирования. Рабочий слой многослойной формы может быть получен следующими путями:

• 1) нанесением на рабочую поверхность формы защитного покрытия;
• 2) пропиткой поверхностного слоя форм ингибиторами;
• 3) введением в формовочную смесь, предназначенную для изготовления облицовочного слоя, специальных веществ;
• 4) изготовлением облицовочного слоя из наиболее инертных материалов.

Наибольшее распространение получил первый метод.

Защитные покрытия классифицируют по функциональному назначению и по роду материала, из которого они изготовлены. По функциональному назначению защитные покрытия предотвращают непосредственный контакт металла отливки с основным материалом формы, а сами слабо реагируют с титаном и материалом формы. Эти покрытия предотвращают химическое взаимодействие конденсированных веществ, входящих в состав формы, с отливкой, но не предохраняют металл от взаимодействия с газами, выделяющимися из формы при ее нагреве заливаемым металлом. В зависимости от метода нанесения материал покрытия может проникать в поры литейной формы на определенную толщину.

Газозащитные покрытия также наносят на рабочую поверхность литейной формы. Такие покрытия, во-первых, выполняют функции барьерных, т.е. предотвращают непосредственный контакт расплава с основным материалом формы, и, во-вторых, препятствуют взаимодействию отливки с газами, выделяющимися из формы.

Освоен и находит применение метод нанесения гшроуглеродного покрытия на керамические (корундовые) формы, получаемые по выплавляемым моделям. Пироуглеродное покрытие получают путем термического разложения метана, пропан-бутана и других углеводородных газов. Углеводородный газ, попадая в зону высоких температур (более 900 °С), подвергается пиролизу с образованием нироугле- рода, который осаждается в порах и на поверхности нагретых керамических форм. Разработаны различные технологические варианты осаждения гшроуглерода: продувка газа через внутреннюю полость литейной формы, принудительная фильтрация газа через пористую стенку литейной формы при внешнем омывании газа, осаждение пироуглерода в вакууме и др.

Исследованиями В.М. Александрова и других авторов выявлены определенные преимущества способа нанесения гшроуглеродного покрытия путем полной объемной пропитки формы при внешнем омывании формы углеродными газами.

На рис. 11.15 показан реактор для обработки форм углеводородными газами. Он состоит из цилиндрического корпуса с затвором 1, крышки 2, трубы для подачи газа 3, гурбулизирующей сетки с опорой 4, грубы 5 для отвода продуктов реакции из внутренних полостей форм 6, стакана 7 для установки форм, чехла для термопары 8, перепускного клапана 9. Все элементы, кроме корпуса, жестко соединены с крышкой в единый блок. При подготовке к работе блок извлекают из корпуса, газовые трубы продувают сжатым воздухом, в стаканы устанавливают прокаленные формы и изолируют внешние стенки от внутренних набивкой смеси 10. Затем блок с формами устанавливают обратно в корпус реактора, в затвор которого насыпается кварцевый песок 11. Собранный реактор помещают в печь, разогретую до 940... 980 °С. Через 40... 60 мин реактор соединяют с газовой магистралью 4 ив течение 3... 5 мин продувают аргоном. Затем подают пропан концентрацией до 70 %.

Рис. 11.15. Реактор для обработки форм углеводородными газами

Продолжительность процесса зависит от толщины стенки отливки и составляет 40... 90 мин. Через указанное время отключают линию пропана, а спустя 3... 5 мин - линию аргона. Реактор из печи переставляют в охладительный кожух. Через 30 мин его разбирают и повторно подготавливают к работе. За смену процесс может повторяться 3 раза, а при использовании модифицированной установки непрерывного действия - 6-7 раз.

Весьма перспективными являются металлические покрытия, изготовленные из материалов - геттеров. Из известных твердых веществ гитан обладает практически максимальной газопоглощающей способностью при температурах выше 1100 °С. Поэтому нанесение титана на рабочую поверхность литейной формы в виде пористого или сплошного покрытия приводит к существенному, а в ряде случаев и к полному предотвращению химического взаимодействия отливки и формы. Титановое покрытие, нагреваясь до высоких температур, в период формирования отливки, во-первых, выполняет барьерные функции и, во-вторых, как активный геттер, поглощает газообразные продукты, выделяющиеся из формы (рис. 11.16).

Рис. 11.16. Влияние титанового покрытия на микротвердость поверхностного слоя отливок (h - расстояние от поверхности отливки) из сплавов ВТ5Л, полученных в формах:

• 1 - электрокорунд +12 % SiOj; 2 - электрокорунд +2,5 % SiO-2;
• 3 - прессованный электрокорунд; 4 - смесь СФТ-1П; 1-4 формы без покрытия; 5 - из материалов 1-4 с титановым покрытием

Исследования отливок из сплава ВТ5Л, полученных в керамических и графиго-коксовых формах с титановым покрытием, показало, что они практически не загрязнены примесями (см. рис. 11.16, кривая 5). Следует отметить, что с увеличением толщины отливок возрастает температура на поверхности литейной формы и эффективность титанового покрытия уменьшается.