Определение выхода блестящего углерода в противопригарных добавках
Статьи от автора: Снисарь В.П.Снисарь В.П.
Технология литья в песчано-бентонитовую форму является наиболее массовой среди других способов литья. На рис. 1., позаимствованном из [1], видим, что в странах ЕС более ¾ всех отливок для машиностроения получают именно этим способом.
Для снижения пригара на чугунных отливках в песчано-бентонитовую смесь вводятся углеродистые добавки, которые под воздействием высокой температуры заливаемого в форму металла газифицируются, и уже из газовой фазы на границе раздела «металл-форма» выпадает так называемый «блестящий углерод» в виде пленки, значительно снижающей смачиваемость формы расплавленным металлом. Эти добавки широко используются в литейных цехах, поскольку позволяют значительно улучшить качество поверхности отливки и существенно снизить затраты на последующую механическую обработку деталей. Физическая сущность процессов, происходящих при заливке металла в форму, содержащую образователи блестящего углерода, кратко изложена в [2].
Рисунок 1. Соотношение основных технологий литья, используемых в странах ЕС[1].
Каменноугольная пыль является наиболее распространенной добавкой, используемой в песчано-глинистых формовочных смесях для литья чугунных отливках. Вместе с ней нередко используются и другие образователи блестящего углерода, такие как некоторые фракции каменноугольной или древесной смолы, гильсонит (природный асфальт), а также синтетические вещества типа полистирола, имеющие гораздо более высокий процент выхода блестящего углерода чем каменноугольная пыль.
Многолетняя практика использования различных образователей блестящего углерода показывает, что низкое его значение не позволяет получить желаемый противопригарный эффект, тогда как слишком высокое значение этого показателя приводит к появлению других видов дефектов литья. Следовательно, нужно контролировать этот показатель и соответственно должна быть регламентирована процедура его определения в виде стандарта или методики.
Рисунок 2. Чертеж колбы и подставки под нее для определения показателя «выход блестящего углерода» в каменноугольной пыли для литья или ее заменителях – согласно VDG - MERKBLATT P-85.
В СССР не было официально принятого стандарта для определения выходя бестящего углерода в противопригарных добавках для песчано-бентонитовых смесей. В Украине до настоящего времени также нет методики или стандарта для определения этого важного показателя. Поэтому целесообразно обратиться к опыту литейщиков других стран.
В Германии пользуются Методикой немецкого общества литейщиков, известной как VDG - MERKBLATT P-85 [3]. В этом документе приведен чертеж колбы из жаростойкого кварцевого стекла с металлической подставкой под нее, которая используется для определения выходя блестящего углерода в обычной лабораторной муфельной печи путем газификации пробы угля и осаждения внутри колбы углерода, выпадающего из газовой фазы – рис. 2. То есть, по сути в этой методике в какой-то степени смоделирован процесс, происходящий в форме при заливке металла.
В Польше принят стандарт BN-88/4024-09 [4] для определения выходя блестящего углерода. Фактически польский стандарт дублирует Методику немецкого общества литейщиков: приведен чертеж колбы с ретортой из кварцевого стекла и подставка под них.
Поэтому для практических целей можно пользоваться ниже приведенной процедурой, а кварцевую колбу изготовить в стеклодувной мастерской по чертежам из Методики VDG - MERKBLATT P-85 или польского стандарта.
Для испытаний противопригарных добавок или формовочной смеси с этими добавками применяются кварцевая трубка с кварцевой ватой и присоединяемая к ней кварцевая реторта с образцом испытуемого материла – рис. 3.
При подготовке к испытаниям внешние поверхности реторты и трубки очищаются щеткой и они помещаются в нагретую до 900 ± 20°С муфельную печь, где выдерживаются при доступе воздуха примерно 30 мин. Затем реторта и трубка охлаждаются в эксикаторе до комнатной температуры и раздельно взвешиваются с точностью до 0,1 мг.
Рисунок 3. Схема приспособления для определения выходя блестящего углерода
В кварцевой реторте взвешивают с точностью до 0,1 мг такое количество контролируемого материала, чтобы после его сжигания, оставалось не зачерненной от 10 до 20% поверхности трубки. Величина навески материала зависит от его вида и должна определяться в каждом конкретном случае путем предварительного эксперимента. При образовании блестящего углерода (от 0 до 10%) навеска материала составит 0,3-0,5 г; от 10 до 40% - 0,1-0,3 г; от 40 до 80% - 0,06-0,1 г.
Кварцевую трубку на штативе из нержавеющей стали помещают в печь, нагретую до 900°С, и выдерживают ее до полного прогрева 10 мин. Затем реторту с навеской материала быстро помещают в печь, насаживая ее на кварцевую трубку, и в течение первых минут придерживают пинцетом, чтобы избежать разгерметизации соединения и потерь интенсивно выделяющихся продуктов сгорания. Мощность печи должна обеспечить восстановление температуры до 900°С в течение 3 мин. Для реторты массой 50 г и трубки массой 100 г применяется муфельная печь с размерами рабочего пространства 170 х 95 х 260 мм и мощностью нагревателей 3 кВт. После выдержки в течение 5 мин штатив с ретортой и трубкой извлекают из печи и помещают в эксикатор для охлаждения. Ровно через 30 мин после извлечения из печи трубку с блестящим углеродом и реторту с остатком пробы взвешивают отдельно с точностью до 0,1 мг. Поскольку блестящий углерод сильно гигроскопичен, взвешивать необходимо быстро и при стандартных условиях.
Количество блестящего углерода (в %) рассчитывают по формуле:
где m - навеска образца, г;
m1 - масса кварцевой трубки с блестящим углеродом, г;
m2 - масса кварцевой трубки, г.
Твердый остаток в реторте (в %) составляет:
где m3 - масса реторты с остатком образца после испытаний, г;
m4 - масса реторты, г.
Допустимые отклонения результатов от среднего значения составляют ±10 %.
Литература:
- D.Kwasniewska-Krolikowska, M.Holtzer Selection criteria of lustrous carbon carriers in the aspect of properties of greensand system./METALURGIJA 52 (2013) 1, 62-64
- В.Снисарь Противопригарные угольные добавки в песчано-бентонитовых смесях. /Литье Украины, 2017г. №1, с. 5-9
- VDG -MERKBLATT P-85 BESTIMMUNG VON GLANZKOHLENSTOFF
- BN-88/4024-09 Pył węglowy odlewniczy i jego zamienniki - Pomiar zawartości węgla błyszczącego.