Существует несколько теорий, объясняющих механизм проникновения расплава в форму.
Согласно одной, предполагается проникновение металлических паров в поры формовочного материала и их последующее конденсирование. Однако расчеты показали, что количество конденсирующего пара было бы слишком мало, чтобы вызвать проникновение металла в форму. Против этой теории свидетельствует и то, что химический состав проникающего металла такой же, как в отливке, и одновременная конденсация паров различных компонентов сплава невозможна.
При контакте расплава с формой могут наблюдаться два случая:
- расплав не проникает в поры между зернами;
- расплав проникает в поры между зернами и просачивается по ним в глубину формы.
Механическое воздействие давления расплава. Граница между этими двумя случаями определяется так называемым критическим давлением, характеризующим проникновение расплава в поры формы. Его можно определить как давление, необходимое для вдавливания расплава в капилляр. Для его расчета и экспериментального измерения можно с округленным приближением применять капилляр радиусом r, соответствующим размерам пор между зернами уплотненной формы.
Вдавливание металла в капилляр может быть вызвано внешним давлением металлостатического напора металла, заполняющего форму при атмосферном давлении. С увеличением уплотнения формы возрастают критический напор и проникновение металла между зернами наполнителя.
Если угол смачивания будет меньше 90, то материал формы смачивается расплавом, что способствует проникновению его в капилляры, так как выражение для критического металлостатического давления имеет отрицательное значение. Другими словами, расплав засасывается в форму без металлостатического давления.
У металлов и сплавов с низкой плотностью (легких металлов и сплавов) опасность проникновения расплавов в пространства между зернами небольшая, поскольку при низкой плотности этих материалов критическое давление очень высокое.
Критическое давление колеблется для стали, заливаемой в нормально
уплотненные формовочные смеси, в интервале 0,5–0,7 м столба жидкой стали.
Если для песка со средней величиной зерна (d = 1, 10-3 м) критический напор hп = 0,36 м столба стали, то для песка с величиной зерна (d = 6, 10-5 м) этот напор повышается до 1,6 м столба стали.
Таким образом, проникновение расплава снижается при уменьшении диаметра зерен песка. Установлена взаимосвязь между проникновением металла и газопроницаемостью, величиной зерна и температурой спекания. Экспериментально доказано, что давление, необходимое для преодоления поверхностного натяжения и создания условий для непрерывного проникновения расплава в форму, прямо пропорционально величине поверхностного натяжения данного металла.
Действие поверхностного натяжения может значительно измениться при образовании на поверхности расплава оксидной пленки. Это можно наблюдать, например, в расплавленном алюминии, поверхность которого покрыта оксидной пленкой, повышающей кажущееся поверхностное натяжение до трех раз.
Химическое и физико-химическое воздействие. Известно, что элементы, вызывающие повышение текучести расплава, одновременно облегчают его проникновение в форму, причем при более низкой температуре. Например, добавка фосфора в сталь (около 0,9 мас. % P) вызывает значительное повышение ее текучести, что приводит к глубокому проникновению металла в форму. Титан, наоборот, снижает текучесть стали, и при его добавлении в сталь проникновение металла в форму происходит лишь при повышенных температурах.
После заливки металла в форму и охлаждения отливки можно наблюдать в слое песка, прилегающем к поверхности отливки, полное изменение его свойств. Образовавшаяся сплошная масса имеет типичный серый цвет и блестящую поверхность. На разрезе этого слоя песка можно видеть исходные кварцевые зерна, которые частично окружены темным шлаковым включением. В данном случае это вещество связывает зерна вместе подобно цементу. Химический анализ такого переходного слоя следующий, мас. %: 88 SiO2; 1,6 FeO3 и 9,2 FeO.
Микрорентгеновский анализ показал в этом слое наличие фаянита (2FeO-SiO2), который образуется при высокой температуре металла и достаточном времени реакции FeO (из расплава) с SiO2 (наполнителя). В присутствии оксида алюминия образуется муллит (3Al2O3-2SiO2).
На процесс проникновения расплава оказывает влияние также содержание марганца в заливаемом металле. Например, если сталь содержит примерно 0,6 мас. % Mn, то оксид марганца, образующий пригар, составляет примерно 3,0 мас. % общего содержания марганца. При повышенном содержании марганца (сталь Г13Л) основной оксид марганца MnO активно реагирует с кварцевыми зернами (SiO2), которые имеют кислотный характер (SiO2+MnO→MnO·SiO2). Образовавшееся соединение силиката марганца отличается низкой температурой плавления.
В обоих случаях проникновение расплава, вызванное химическими процессами, можно значительно ограничить снижением температуры заливаемого металла и тщательным его раскислением.
Полностью предупредить протекание химических процессов можно лишь изменением вида формовочного материала. Например, протекание приведенных химических реакций можно предотвратить применением магнезита или хромомагнезита, которые не имеют кислотного характера.