Смачивание: что это такое и почему это такая забота?

Современный литейный производитель заинтересован в производстве продукта наилучшего качества без компромиссов – смачивание может стать причиной некоторых проблем в процессе литья металлов.

Знакомство

Смачивание - это явление, при котором жидкость способна поддерживать контакт с твердой поверхностью, вызванный межмолекулярными взаимодействиями. В современном литейном производстве основная проблема, вызванная смачиванием, заключается в ударах по поверхности литого материала. Результат этого редко наносит ущерб литому материалу, но это почти всегда означает, что для устранения дефектов поверхности требуется дополнительная работа (и, следовательно, время и деньги), обычно путем ручной обработки. Естественно, владельцы и операторы литейных заводов стремятся снизить вероятность смачивания, тем самым сводя к минимуму вероятность необходимости последующей обработки. Поверхностные дефекты обычно принимают форму «заусенцев», то есть когда некоторые расплавленные металлы вступают в контакт с песком и охлаждаются нерегулярным образом. Песок также может проникать в металл. (1,2,3)

В случае присутствия жидкости, при температуре литейного производства она будет кипеть и выделять газ. Это создает пространство для взаимодействия расплавленного металла и песка в случае металлических отливок на основе песка. Поверхностное взаимодействие может быть описано как «сильно смачивающееся», когда существует хорошее взаимодействие твердого тела и жидкости. «Плохое смачивание» относится к слабому взаимодействию твердого тела и жидкости.

Добавки могут быть добавлены для снижения вероятности смачивания, в дополнение к обеспечению адекватного и надлежащего контроля влажности. Поверхностные дефекты гораздо чаще возникают, когда существуют сильные смачивающие взаимодействия (подробное обсуждение химии поверхности выходит за рамки этой статьи), которые преимущественно возникают из-за межмолекулярных сил Ван-дер-Ваала и водородной связи.

расплавленный металл наливают в форму с наполнителя пески

Стратегии, позволяющие свести на нет или избежать смачивания

Профилактика лучше, чем лечение. Практически во всех случаях литейщики будут включать материал в свои литейные формы, чтобы свести на нет воздействие смачивания, или, что еще лучше, предотвратить его напрямую. Эти добавки часто являются органическими материалами, с различными крахмалистыми растительными остатками, маслами и вредными органическими химическими веществами, находящими широкое применение на протяжении многих лет - все из которых были примерами углеродистых материалов. Практически любой богатый углеродом материал может быть использован при условии, что он будет хорошо вписываться через здравомыслящего. Однако одной из выдающихся добавок для предотвращения смачивания является
угольная пыль / антрацит
. Будучи относительно дешевым, простым в работе и полностью горючим, он является привлекательным вариантом для самых разных типов литья.

Проще говоря, увеличение количества углеродистого материала в песчаной форме приведет к большему пиролизу этого материала. Пиролиз – это неполное горение, т.е. горение в отсутствие кислорода. Для органических материалов это означает производство углерода (который имеет тенденцию оседать в виде слоя как на металле, так и на песке) и водорода (который действует как газообразный барьер для проникновения металла и / или песка и оказывает другое воздействие на образование оксидов, см. Ниже). Соединениями, хорошо подходящими для действия в качестве этого углеродистого материала, являются те, которые имеют высокую коксохимическую способность, относительно низкий компонент летучих органических веществ (не более 30% по весу), низкое содержание золы и очень низкое содержание серы (не более 0,8% по весу). Размер измельченной углеродистой добавки должен быть пригодным для полного включения через песчаную форму, причем ранние сообщения предполагают размер частиц не более 0,3 мм (4).

Поскольку смачивание вызывает образование небольших каналов в песке, металл молена может просачиваться в него, и это является источником многих поверхностных дефектов, таких как «горение» и «горение» через изменения поверхности на границе литья, что приводит к неравномерным литым поверхностям. Такие простые эффекты, как расплавленный металл, прилипший к песку, являются общими признаками того, что произошло смачивание. Кремний и фосфор в песке могут обмениваться с железом и марганцем в расплавленном металле, что может вызвать фундаментальные изменения материала и химические изменения - полностью предотвратимые, если смачивание предотвращается добавлением тщательно отобранного углеродистого материала (5).

По сути, смачивание является распространенной проблемой в литье металла, но также и предотвратимой. Это может быть так же просто, как включение небольшого количества материала, такого как
угольная пыль (антрацит),
в песок, который пиролизируется чисто, и предотвратит смачивание и последующие связанные с ним явления дефектов поверхности, предотвращая необходимость последующей обработки вручную (6).

угольная пыль, используемая в процессе литья

Угольная пыль

Угольная пыль представляет собой порошкообразный антрацит. Это высококачественный угольный продукт, измельченный по тонкой спецификации, с низким содержанием летучих органических соединений, низким содержанием золы и низким содержанием серы - в количествах, последовательно ниже указанных выше. Антрацит является углем самого высокого качества, он не битуминозный, как бурый уголь, и содержит самую высокую долю чистого углерода, что означает, что при сжигании или пиролизе выделяется меньше опасных загрязняющих веществ по сравнению с углями более низкого сорта (7,8).

Возможно, вполне логично, что угольная пыль заменила классические углеродистые материалы, такие как битуминозный уголь, поскольку ожидается, что производительность будет такой же. Он превосходит его. Из-за эволюции токсичных газов, таких как бензол, толуол и ксилол из некачественных углей (9), местные атмосферные условия вокруг литейных заводов оказались плохими в 1940-х годах. Более качественные угли, такие как антрацит, резко снижают эволюцию такого газа. Сообщалось, что антрацит производит больше защитного тонкопленочного углерода на единицу массы, чем другие виды угля- следует ожидать, поскольку в нем меньше загрязняющих веществ, следовательно, больше углерода.

Несмотря на более высокое качество, антрацит остается недорогим материалом и находит широкое применение в самых разных условиях. Его чистый профиль пиролиза делает его идеальным выбором (и в значительной степени предпочтительным для промышленности) для отливок из зеленого песка, где он отвечает за меньшее количество случаев, связанных с смачиванием.

Примечателен также тот факт, что высушенная, небольшого размера зерна и, следовательно, свободно текущая угольная пыль будет легко смешиваться и равномерно рассеиваться по всему песку. Более смолистые или битумные источники углерода, такие как бурый уголь, не будут рассеиваться так равномерно из-за их «липкой» природы, приводящей к слипанию, поэтому существует риск наличия областей в песке вблизи границы раздела расплавленного металла без углеродного материала вообще, что обеспечивает нулевую защиту и открывает дверь для смачивающих явлений и последующих дефектов поверхности, которые он вызовет.

угольная пыль

Предотвращение лиохих ожогов

С смачиванием тесно связан литейный ожог, который проявляется аналогичным образом и требует практически идентичной постликовой обработки для устранения последствий. Литейное сжигание довольно распространено в производстве железа и стали - оно происходит, когда силикаты железа образуются на поверхности отливающегося металла, когда вступают в реакцию кремнезем (из песчаной формы) и оксид железа (из железа). Это приводит к тому, что песчинки сливаются и оседают на литой поверхности, будучи трудно удаляемыми и требуя механической обработки, сродни смачиванию (10). Таким образом, литейщики стремятся предотвратить образование оксида железа в первую очередь. Как и в предотвращении смачивания, пиролиз антрацитовой/угольной пыли создает высокоэффективную восстановительную атмосферу, которая полностью ингибирует окисление железа, тем самым предотвращая образование оксида железа (11). Этот принцип также может быть применен в отливках из зеленых песков, где хромитовый огнеупор часто содержит небольшие и умеренные количества кремнезема. Опять же, образование газообразного водорода в результате пиролиза приводит к образованию восстановительной атмосферы и, таким образом, предотвращает образование оксидов (12). Дополнительная защита от ожога обеспечивается, так как процесс пиролиза вызывает нанесение тонкой пленки чистого углерода на поверхность металла, что предотвращает проникновение металла в песок. Верно и обратное; песок не может проникнуть в металл. Вообще говоря, это можно рассматривать как несмачивающее поведение.

Безопасность

Как уже упоминалось, антрацит не токсичен. Повышение давления является единственной проблемой, поскольку пиролиз угольной пыли вызывает изгнание газа (13) с помощью смеси зеленого песка, содержащей только 5% угольной пыли, может привести к давлению, вдвое большему, чем у исключительно зеленого песка. Следует ожидать некоторого проникновения в металл эволюционировавшего водорода (14), но это будет несколько сведено на нет тонким углеродным слоем, образованным (см. Ранее). В целом, повышение давления и эволюция водорода находятся в пределах допусков и конструктивных возможностей современных установок литья на основе песка.

красный горячий металл

Консультирование по оксиду марганца

  • Смачивание - это явление, при котором жидкость - обычно вода - способна поддерживать контакт с твердым веществом.
  • В случае литейных работ и литья, смачивание непосредственно вызывает образование дефектов поверхности, которые впоследствии приходится устранять вручную, добавляя затраты и время.
  • Предотвращение смачивания обычно осуществляется путем добавления органического материала в литейную форму.
  • Угольная пыль (антрацит) является ведущим выбором для предотвращения смачивания благодаря своей превосходной производительности, простоте обращения и нетоксичной природе - и все это при этом очень экономично.
  • Неполное сгорание угольной пыли (пиролиз) создает восстановительную среду, которая предотвращает определенные типы поверхностных дефектов, в то время как одновременно образуются тонкие слои углерода, которые предотвращают другие типы дефектов.
  • Антрацит нетоксичен и не приводит к эволюции токсичных газов
  • Сжигание литейного производства является смежным явлением, а также может быть в значительной степени предотвращено за счет использования угольной пыли.
coal_dust
Горшок, наполненный измельченный антрацит

Ссылки

1 A. Josan и C. P. Bretotean, Используя специальные дополнения к подготовке формовочной смеси для литья стальных частей типа привода,в: Международная конференция по прикладным наукам 2014 (ICAS2014), Hunedoara, Румыния, 2014

2 B. E. Brooks и C. Beckermann, Производство Burn-on и проникновение плесени в стальной литья с помощью моделирования, в: 60-й SFSA технической и операционной конференции, Чикаго, 2006

3 Анализ дефектов литья, Анализ дефектов литья, Американское общество литейщиков, Дес-Плейнс, США

4 Патент США US3666706A, 1969

5 M. Holtzer et al., Microstructure and Properties of Ductile Iron and Compacted Graphite Iron Castings, Springer, Cambridge, 2015

6 B. Древет (ред.) Смачиваемость при высоких температурах; Серия «Пергамские материалы», том 3, Elsevier, Амстердам, 1999

7 G. Тиль и С. Р. Гизе, Am. Литейный Soc. Trans., 2005, 113, 471

8 J. Wang and F. S. Cannon, Исследование пиролиза углеродистых добавок в литейных цехах зеленого песка, в Сиэтле: Международная конференция по углероду, Сиэтл, 2007

9 Г. Ф. Китинг и Н. М. Поттер, Бр. Дж. Med., 1945, 2, 125

10 А. Петро и др., Ам. Литейный Сок. Транс., 1980, 88, 683

11 Х. В. Дуэтерт и др., Ам. Литейный Сок. Транс., 1970, 78, 145

12 Д. Т. Петерсон и др., Ам. Литейный Сок. Транс., 1980, 88, 503

13 Ю. Мочек и Я. Самсонович, Арка. Нашел. Англ., 2011, 11, 87

14 А. Кэмпбелл, Полное руководство по кастингу (2-е изд.), Баттерворт Хайнеманн, Лондон, 2015