Современные паковочные материалы
Тема Материаловедение в литейном производстве
Цель лекции: ознакомить студента со сплавами металлов, применяемые в стоматологии.
План лекции:
1. Паковочные материалы;
2. Усадка сплавов;
3. Методы удаления паковочной массы;
4. Методика удаления литников.
Содержание:
Качество зуботехнического литья зависит от многих факторов. Один из важнейших – это правильный выбор паковочных материалов. Чтобы объективно оценить свойства приобретаемой паковочной массы необходимо иметь хотя бы общее представление о её составе и физико-химических процессах, происходящих при паковке и нагреве.
происходящих при паковке и нагреве. Для получения литья методом «потерянного воска» (литьё по выплавляемым моделям) необходимы паковочные материалы, которые по составу и свойствам согласуются с различными видами применяемых сплавов.
Поэтому паковочные материалы должны отвечать следующим требованиям:
· обладать хорошей текучестью в жидком состоянии и точно воспроизводить мельчайшие детали восковой композиции;
· обеспечивать достаточную прочность опоки после затвердевания;
· иметь достаточную газопроницаемость и обеспечивать беспрепятственный выход водяных паров и газов при нагревании и литье;
· выдерживать температуру не ниже 1700 °С;
· не реагировать с расплавом и не изменять его химический состав;
· обеспечивать требуемое расширение для компенсации усадки сплава;
· иметь достаточную мелкодисперсность, чтобы обеспечивать чистоту и гладкость полученной отливки.
Состав паковочных материалов и технологии их применения различны, но в любом случае они состоят из следующих компонентов:
· огнеупорный порошок;
· огнеупорный порошок;
· технологические добавки;
· затворяющая жидкость.
Огнеупорный порошок представляет собой мелкодисперсный материал:
1. Двуокиси кремния SiO2 (кремнезема), который обычно представлен в модификациях кварц и кристобалит или в форме смеси этих компонентов.
2. Или окиси алюминия Al2O3 (глинозем).
В основном в качестве огнеупорного порошка используется кремнезем. Исходным сырьем для получения кремнезема является кварцевый песок. Кварцевый песок – это осадочная порода, в которой содержание кремнезема составляет не менее 80%. Перед использованием песок проходит промышленную обработку, промывку, просев и классификацию. Его применение обусловлено высокой огнеупорностью (до 1 710 °С), прочностью (5.5–7 по шкале Мооса), широкой распространенностью, относительной дешевизной и свойством обеспечивать необходимое расширение паковочной массы. При нагревании кварц испытывает полиморфные превращения, увеличиваясь в объеме на 15–19% и тем самым, компенсируя усадку сплава.
Одна из важнейших характеристик кварцевого песка – гранулометрический состав (зернистость), от которого зависят ряд свойств изготавливаемой литейной формы: прочность, газопроницаемость, жаропрочность, а также чистота поверхности изготовляемых отливок. Обеспечить необходимую зернистость паковочного материала, отвечающую всем технологическим требованиям, используя кварцевый песок с одинаковым размером частиц, не представляется возможным. В результате этого огнеупорный порошок состоит из смеси частиц разного размера. Однако преобладание мелких зерен ведет к быстрому схватыванию смеси, низкой текучести в жидком состоянии, недостаточной газопроницаемости. Недостаточное количество мелких зерен и преобладание крупных приводит к грубой поверхности отливки, увеличению термических напряжений при нагреве, уменьшению прочности опоки. Поэтому, опираясь на исследования и практический, опыт фирмы-производители используют в паковочных материалах огнеупорный порошок следующего гранулометрического состава:
· около 5% частиц менее 80 мкм;
· около 40% частиц менее 60 мкм;
· около 50% частиц менее 20 мкм;
· около 5% частиц менее 5 мкм.
При длительной обработке на вибростолике зерна паковочного материала начинают неравномерно распределяться по объему опоки («утрамбовываются»), поэтому при паковке рекомендуется наименьшее время нахождения опоки с жидкой паковочной массой на вибростолике.
Чтобы опока не разрушалась при нагревании и заливке металлом паковочный материал должен обеспечивать достаточную прочность. После затвердевания литейной формы прочность на сжатие составляет около 9–12 МПа для фосфатных масс и 5–8 МПа для гипсовых масс.
Стоит упомянуть о том, что во время нагрева существует несколько критических температурных интервалов, при которых литейная форма имеет наименьший показатель прочности:
· В интервале температур от комнатной до 270 °С литейная форма отдает свободную воду и кристаллизационную воду связующего. Важно при этом чтобы испарение воды протекало медленно.
· 180–270 °С (переход b-кристобалита в a-кристобалит).
· 573 °С (переход b-кварца в a-кварц).
· 1 000 °С (начало перехода a-кварца в a-кристобалит).
Чтобы не допустить растрескивание опоки в указанном интервале температур следует делать выдержку в 40–60 минут (разумеется, это не касается «шоковых» паковочных масс).
Состав технологических добавок в большинстве случаев составляет коммерческую тайну фирмыпроизводителя. Добавки используются для регулирования текучести паковочного материала в жидком состоянии, ускорения или замедления времени затвердевания, для уменьшения количества пены и воздушных пузырьков при вакуумировании и др.
По типу связующего вещества паковочные материалы делятся на: силикатные, гипсовые и фосфатные.
УСАДОЧНЫЕ СВОЙСТВА СПЛАВОВ
Усадкой называется уменьшение объема и линейных размеров отливки в процессе ее формирования, а также охлаждения с температуры заливки до температуры окружающей среды. Усадка является одним из важнейших литейных свойств сплавов.
Виды усадки. Для оценки усадки используют понятия: относительная усадка и коэффициент усадки в интервале температур. В зависимости от агрегатного состояния сплава различают усадку в жидком, твердожидком и твердом состояниях. Полная усадка является суммой этих трех слагаемых. Основу усадки составляет термическое сжатие, которое увеличивается или уменьшается в результате фазовых превращений и изменения растворимости газов. У ряда сплавов вблизи от температуры ликвидуса наблюдается увеличение объема, называемое предусадочным расширением.
Для характеристики усадки на различных этапах формирования отливки используют следующие способы ее оценки. Объемная усадка – относительное изменение объема сплава – используется для характеристики изменения в жидком или твердожидком состоянии, а также для полного изменения объема. Линейная усадка оценивает относительное изменение размеров отливки с момента перехода ее в твердое или твердожидкое состояние с разрозненными включениями жидкой фазы и твердой наружной коркой. Литейная усадка – относительная (в процентах) разность линейных размеров модели и отливки Она оценивает полное изменение размеров отливки и поэтому наиболее удобна для использования в технологических расчетах и операциях. Литейная усадка зависит не только от свойств и состояния сплава, но также от конструкции отливки и формы, от технологических условий литья и других факторов. В связи с торможением усадочного процесса формой (для фасонных отливок) необходимо различать свободную и затрудненную усадку, которые численно не совпадают.
Общее уменьшение объема сплава в процессе усадки отливки дают три составляющие - наружная усадка, усадочная раковина и пористость. Наружная усадка - изменение наружных размеров и объема. Именно этот вид усадки оценивается характеристикой Е лит.. Усадочная раковина – -полость в теле отливки или прибыльной части, образующаяся вследствие некомпенсированной объемной усадки при затвердевании. Различают внутренние раковины; образующиеся обычно в тепловых узлах, и наружную раковину, которая может быть открытой или закрытой (т.е. под коркой металла). Размер усадочной раковины зависит от усадочных свойств сплава, условий формирования отливки и технологических условий литья. Усадочная пористость – скопление мелких пустот, возникающих в изолированных микрообъемах отливки, обычно в междуосных пространствах дендритов, в условиях отсутствия питания жидким расплавом. Различают рассеянную пористость, распределенную более или менее равномерно по всему объему отливки, и зональную пористость ,сосредоточенную в осевых частях, в тепловых узлах и других частях отливки.
Формирование пористости при затвердевании отливки идет параллельно с процессом выделения газов, которые заполняют поры и могут создавать в них значительное давление. В связи с этим в реальных условиях пористость в большинстве случаев имеет газоусадочный характер. Развитие усадочных дефектов и их, распределение в отливке зависят от взаимодействия факторов, отражающих усадочные свойства сплава, а также тепловые и кинетические условия формирования отливки.
Склонность сплава к образованию усадочных дефектов (раковин и пористости) определяется на технологических пробах – небольших отливках, имеющих форму усеченного конуса или шара. Конфигурация и размеры проб ГОСТом не регламентируются.
Линейная усадка цветных металлов и сплавов определяется согласно ГОСТ 16817 – 71 путем отливки пробы в сухую песчаную или металлическую (полукокильную) форму. Проба представляет собой призматический образец сечением 25 х 25 мм и длиной 130 мм с выемками с обоих концов. В результате усадки при затвердевании образец перемещает подвижную часть формы , что фиксируется стрелочным индикатором.
Линейная усадка большинства сплавов колеблется в пределах 0,7 – 2,2 % (углеродистой стали 1,2 – 2,2 %, серого чугуна 0,7 – 1,3 %, силумина 1 – 1,2 %, магниевых сплавов 1 – 1,6%, бронзы 1 – 1,5 %).
Образование усадки. Исследованиями А.А. Бочвара установлено, что в сплавах, кристаллизующихся в интервале температур, линейная усадка проявляется после образования в отливке твердого кристаллического скелета когда, несмотря на наличие остаточного количества жидкости, в целом отливка ведет себя как твердое тело. В зависимости от формы первичных кристаллов, степени развития и разветвленности дендритов количество твердой фазы, при котором формируется твердый скелет,
колеблется в очень широких пределах – от 20 до 80 % от общего объема сплава. Соответственно на диаграмме состояния может быть нанесена линия образования твердого скелета (ЛОТС), которая располагается возле границы выливаемости, несколько ниже ее (рис. 1). При достижении температуры образования твердого скелета
сплав с технологической точки зрения переходит в твердое состояние и в нем может оцениваться линейная усадка; при температуре выше Тск усадочные процессы возможно оценивать только объемной усадкой. Температура Тск
делит температурный интервал кристаллизации на две области: эффективный
интервал кристаллизации и эффективный интервал затвердевания.
Формирование усадочной раковины происходит главным образом в интервале температур после образования сплошной твердой корки на поверхности отливки, а формирование усадочной
пористости – большей частью в интервале при затрудненности питания междуосных пространств дендритов .Таким образом, развитие усадочных дефектов того или иного типа оказывается непосредственно связанным с положением фигуративной точки сплава на диаграмме состояния относительно точек Ср, С’р и Сэ а также Сск.
Впервые общая схема распределения усадочных пустот между раковиной и порами, в зависимости от DТ кр была приведена в работах А.А. Бочвара. Последующие исследования уточнили зависимость с учетом положения ЛОТС (или точки Сск.) и неравновесного солидуса. Максимум развития пористости фиксируется при концентрациях вблизи точек Ср или С’р (см. рис. 1).
Усадочные свойства некоторых сплавов приведены ниже:
В целом картина аналогична изменению положения минимума жидкотекучести в зависимости от концентрации Ср. Общий вывод заключается в следующем: щироко-интервальные сплавы склонны к образованию усадочной пористости, в узко-интервальных сплавах усадочные изменения объема сосредоточены в усадочной раковине.
По наблюдениям Б. Б. Гуляева, при смещении технологических границ сплава (ЛОТО и расположенной ниже ее границы питания) к ликвидусу, зона осевой пористости в отливках сужается, но рассеянная пористость может увеличиваться. При смещении технологических границ к солидусу зона осевой пористости может расширяться, но общий объем всех видов пористости должен уменьшаться.
Рис. 2. Изменение линейной усадки е1 в сплавах эвтектической системы
Закономерности изменения линейной укладки в зависимости от положения сплавов на диаграмме состояния иллюстрирует рис. 2.
1. В сплавах с существенной растворимостью в твердом состоянии (Ср >1 – 5 %) на участке до точки СА ск. Еl изменяется по некоторой ниспадающей кривой, а на участке между точками СА ск. и СВ ск. наблюдается закон аддитивности – прямолинейная зависимость (сплавы А1 – Мg и др.). Иногда излом кривой происходит в точках Ср или С'р, а на участке Ср – СА ск. , отмечается площадка (сплавы А1 – Si).
2. Если усадочные свойства первичных выделений (a1 и 1b) сильно отличаются, то происходит разрыв аддитивной зависимости вблизи от эвтектической точки, или точки СА ск.(СВ ск.) – рис. 2 (сплавы Sn – Рb, А1 – Sn и др.). Отрезки прямых располагаются горизонтально, т. е. усадка целиком определяется той структурной составляющей, которая преобладает в смеси кристаллов.
В сложных многокомпонентных сплавах распределение усадочных пустот и изменение в, в общем подчиняется рассмотренным выше зависимостям.
Влияние технологических факторов на усадку.Перегрев сплава перед заливкой влияет на все виды усадки вследствие увеличения разности объемов жидкого (при Тзал.) и твердого металлов и изменения кинетики роста первичных выделений дендритов. Обычно отмечают увеличение объема усадочной раковины при одновременном возрастании пористости и грубозернистости (в этом заключается одна из причин, заставляющих ограничивать перегрев металла перед заливкой).
Скорость охлаждения отливки изменяет ее кристаллическое строение – форму, размеры и разветвленность дендритов, а также размер структурных составляющих. Вследствие этого с увеличением скорости охлаждения возрастает плотность сплава, увеличивается объем усадочной раковины (за счёт сокращения пористости), несколько возрастает линейная усадка. большое значение имеет также направленность затвердевания отливки. При правильном построении этого процесса практически все усадочное изменение объема может быть сведено к наружной усадке или усадочной раковине, выведенной в прибыльную часть отливки.
Внешнее давление оказывает сильное влияния на перераспределение, усадочных пустот между порами и раковиной. Кристаллизация при повышенном давлении используется как технологический прием для снижения пористости и повышении плотности и герметичности отливок; наружная усадка при этом несколько возрастает.
Газонасыщенность металла обычно приводит к резкому увеличению пористости (газовой и газоусадочной) при одновременном уменьшении размеров усадочной раковины снижается также линейная усадка. Повышенное газосодержание резко ухудшает комплекс свойств металла и отливки и поэтому недопустимо.
Модифицирование сплавов приводит к измельчению зерна и структурных составляющих, уменьшает газонасыщенность и тем самым способствует повышению плотности сплава.