Пригар на отливках считается одним из наиболее часто встречающихся дефектов, который существенно повышает трудозатраты при проведении очистных и обрубных операций.
На протяжении многих десятилетий специалисты литейного производства исследуют природу возникновения пригара и ищут способы минимизации его проявлений. Тем не менее, до настоящего времени не удалось разработать методики, гарантирующего полное отсутствие данного дефекта во всех производственных ситуациях. Подобная сложность обусловлена крайне запутанным характером процессов, протекающих в зоне контакта металла с формой, которые и инициируют формирование пригара. Под термином «пригар» обычно подразумевают неметаллическую оболочку, которая прочно фиксируется на поверхности изделия и состоит из частиц формовочного наполнителя, скрепленных связующим веществом.
Классификация видов пригара носит условный характер, так как в реальных условиях на одной отливке могут одновременно присутствовать все или как минимум два типа этого дефекта. Таким образом, пригар на деталях практически всегда является комбинированным. Внутри формы заливаемый расплав в той или иной степени покрыт оксидными пленками, которые радикально меняют способ проникновения металла в поры смеси. Установлено, что струйки металла, заполняющие пустоты формы, защищены слоем оксидов железа. Из этого следует, что механический тип пригара неизменно сопровождается и стимулируется химическим воздействием. Однако далеко не каждый случай пригара требует активного противодействия. Зачастую сформировавшаяся корка легко отслаивается от поверхности детали в процессе охлаждения — это явление называют легкоотделимым пригаром. В некоторых ситуациях стратегия борьбы заключается не в предотвращении самого процесса, а в переходе от трудноотделимых форм пригара к легкоотделимым.
Такие дефекты, как «металлизация» или «просечка», которые часто встречаются в практике, являются производными химических, термических и механических пригаров. Следовательно, методы борьбы с ними идентичны общепринятым способам профилактики пригара на отливках. Процесс формирования пригара детерминирован множеством факторов, связанных со свойствами расплава, составом формовочных смесей и технологическим регламентом заливки. С одной стороны, на него влияют химическая составляющая металла, показатели вязкости и жидкотекучести, уровень раскисления, а также капиллярные параметры (способность смачивать стенки и поверхностное натяжение). С другой стороны, возникновение дефекта зависит от огнеупорности, зернистости и химического состава формовочных материалов, их пористости, теплоемкости, а также реакционной способности оксидов смеси по отношению к оксидам металла.
Дополнительно на интенсивность образования пригара и прочность его адгезии к отливке оказывают влияние такие параметры, как давление металлостатики, состав атмосферы внутри формы в момент заливки, продолжительность процесса, а также разница в коэффициентах термического расширения и сжатия металла и формовочной массы.
Из вышесказанного следует, что при анализе взаимодействия металла с формой приходится учитывать колоссальное количество переменных, меняющихся во времени и определяющих масштаб пригара. Проконтролировать влияние каждого фактора не всегда реально. В связи с этим крайне сложно создать универсальную методику для комплексной оценки противопригарных качеств формовочных смесей. Противопригарная способность является производной от совокупности характеристик металла, материалов формы и условий заливки. Невозможно рассматривать свойства смеси в отрыве от характеристик используемого сплава. Практика показывает, что составы, обеспечивающие чистоту отливок из одного типа сплава, могут оказаться неэффективными при работе с другими материалами.
Сложность процессов взаимодействия вынуждает литейщиков использовать два основных подхода к оценке противопригарных свойств. Первый метод предполагает изолированное изучение отдельных факторов или небольших групп параметров, определяющих конкретный вид пригара. Такой подход позволяет формировать теоретическую базу взаимодействия металл-форма и получать общие решения, выраженные в физических единицах измерения.
Второй подход базируется на проведении различных технологических испытаний. Здесь пригар изучается в условиях, максимально приближенных к реальному производству, то есть исследуется комплексный дефект с доминированием того или иного типа. В этом случае оценка противопригарных свойств смеси проводится либо качественно, либо с использованием определенных условных количественных показателей.
Классификация видов пригара:
Термический пригар
Возникает из-за плавления материала формы под воздействием высокой температуры расплава. Это происходит при использовании песков или глин с недостаточной огнеупорностью. Такой вид пригара чаще всего легко отделяется от поверхности в виде массивной «шубы», однако сама отливка приобретает неровную серую текстуру с включениями нерасплавленного кварца. Процесс плавления материала сопровождается выделением газов, что приводит к появлению поверхностных газовых раковин.
Механический пригар
Формируется вследствие внедрения жидкого металла в поры формовочной массы. Для возникновения этого дефекта металл должен проникнуть в поры на глубину, сопоставимую с размером зерна смеси. В результате на поверхности детали образуется сетчатая структура из металла и частиц формы, которую можно устранить только путем механической вырубки вместе с поверхностным слоем отливки. Механизм развития механического пригара выглядит следующим образом. При контакте с холодными стенками формы жидкий металл охлаждается, формируя на поверхности затвердевшую корку. Толщина этой оболочки определяется температурой расплава, теплоемкостью формы и другими параметрами. Если отливка имеет тонкие стенки, то выделяемого при кристаллизации тепла недостаточно, чтобы повторно расплавить корку и обеспечить длительный контакт металла с формой. В таких случаях механический пригар не развивается.
Если же заливается крупная, толстостенная деталь, то первоначальная корка под воздействием тепла кристаллизующейся массы снова плавится, и жидкий металл вступает в прямой контакт со стенками. Однако процесс внедрения в поры начинается не мгновенно, так как формовочные материалы подбираются с учетом их низкой смачиваемости металлом.
В подобных условиях возникает капиллярное противодавление, препятствующее затеканию жидкости в микропоры. Кроме того, проникновению металла мешает относительно низкая температура формы. По мере нагрева стенок из смеси выделяются газы и водяной пар, создающие в порах газовое давление (pr), которое также служит барьером. Когда же слои формы, прилегающие к металлу, разогреваются до температуры ликвидуса сплава, становится возможным проникновение неокисленного металла.