ИННОВАЦИИ БИЗНЕСУ

Результат выполнения НИР

Для измерения смачиваемости формовочных материалов жидкой сталью применили метод определения краевого угла смачивания лежачей капли и высокотемпературную установку конструкции кафедры литейного производств Южно-Уральского государственного университет (Установка КЛП-ЮУрГУ).

Исследовали состояние образцов металла из углеродистой стали марки 25Л в условиях нейтральной атмосферы аргона с небольшим (около 1,1 кг/см ² по редуктору) избыточным давлением. Результаты измерения смачивания различных формовочных материалов представлены в таблице 1.

Таблица 1 - Результаты экспериментов

Результаты, приведенные в таблице 1 получены при выдержке образцов в атмосфере аргона после расплавления в течение 15 секунд, так как, несмотря на присутствие нейтральной атмосферы, между каплей расплавленного металла и подложкой протекали визуально заметные процессы, сопровождаемые пенообразованием на поверхности подложки, искрением и выбросами над каплей материала подложки. При этом наблюдаемый краевой угол постепенно уменьшается. Поэтому в таблице 1 приведены значения краевых углов, замеренных сразу после расплавления. Фактически же при длительной выдержке наблюдаемые краевые углы капель расплавленного металла оказываются значительно меньше.

На подложках из графита и из смеси на кварцевом песке и пульвербакелитном связующем наблюдаются отличия в значениях краевых углов и работы адгезии: краевые углы уменьшаются, а работа адгезии увеличивается. Это свидетельствует о том, что между расплавленной сталью и углеродной подложкой происходит взаимодействие.

Образец металла на подложке из шлифованного графита при расплавлении не сформировал четкие очертания в виде равноосной капли, а представлял собой бесформенный расплав с натеками. При этом наблюдалось сильное свечение, как самой подложки, так и расплавленного металла образца в виде бесформенного наплыва. При повороте печи вокруг оси расплавленный образец остался на поверхности подложки даже при большом угле поворота. После охлаждения образец трудно отделялся от подложки. И после отделения образца от подложки на его поверхности сохранились остатки графита.

Далее проведены эксперименты в условиях окислительной атмосферы воздуха. После прокачки и заполнения кварцевой трубки аргоном печь включали, и образец нагревали до заданной температуры. Затем в кварцевую трубку через отводные трубки подавали воздух от вентилятора. Делали выдержку около 15 секунд и производили вращение печи.

В таблице 2 представлены результаты экспериментов по определению смачиваемости углеродистой стали марки 25Л в условиях окислительной атмосферы воздуха.

Таблица 2 - Результаты экспериментов

Как и в нейтральной атмосфере аргона, так и в окислительной атмосфере воздуха контактная поверхность образцов расплавленного металла на некоторых формовочных материалах была скрыта промежуточными продуктами взаимодействия металла с материалом подложки. При длительной выдержке образца при температуре расплавления капля расплава постепенно погружается в подложку, а контактная зона все больше покрывается продуктами взаимодействия металла образца и материала подложки.

Учитывая, что получить краевые углы смачивания по фотографиям капель образцов в момент расплавления металла не представляется возможным по принятой методике, так как контактная зона образца с подложкой оказывается скрытой продуктами их взаимодействия, решено проверить состояние образцов металла после охлаждения по шлифам поперечных разрезов. Для этого после охлаждения образов их заливали укрепляющим материалом бутакрилом и проводили шлифование до получения поперечного симметричного сечения капли образца.

Анализ показал, что охлажденные капли стали в шлифах имеют отрицательный краевой угол смачивания, что свидетельствует об отрицательном смачивании формовочных материалов жидкой сталью в условиях окислительной атмосферы.

При испытании подложек на основе углеродосодержащих материалов в условиях окислительной атмосферы воздуха получить образцы металла при расплавлении в виде равноосных капель не удалось. Как и в нейтральной атмосфере аргона капли образцов получались неопределенной формы в виде натеков. Поэтому судить о характере смачивания углеродных подложек можно лишь по работе адгезии металла к подложке, которые приведены в таблицах результатов экспериментов.

Как видно из таблиц 1 и 2, на подложках из одних и тех же формовочных материалов краевые внешне наблюдаемые углы капель расплавленного металла отличаются в зависимости от вида газовой среды в зоне расплавления. Особенно это заметно на подложках из кремнеземосодержащих материалов с добавкой жидкого стекла или этилсиликатного связующего.

В атмосфере аргона наблюдаемые краевые углы смачивания фактически для всех подложек из оксидных материалов имеют значения больше 90 ⁰, что свидетельствует об отрицательном смачивании расплавленной стали и малой работе адгезии к подложкам.

В отличие от этого, на подложках из кварцевого песка и связующего материала на пульвербакелите, который при нагреве выделяет углерод в виде отложений на зернах песка в смеси, образцы имеют малые значения краевого угла и высокие значения работы адгезии. Это свидетельствует о том, что на углеродных материалах жидкая сталь имеет положительное смачивание.

Рассматривая значения краевых углов в условиях окислительной атмосферы, можно отметить сильные различия в их значениях при фотографировании в момент расплавления и по шлифам после охлаждения. На профильных фотографиях капель в состоянии расплавления в условиях окислительной атмосферы капли имеют малые значения краевых углов и, следовательно, должны характеризовать положительное смачивание расплавленного металла по отношению кварцевым материалам. В тоже время значения работы адгезии и углов скатывания жидких капель свидетельствуют об отрицательном смачивании расплавленного металла на кварцевых подложках.

Следовательно, действительные значения работы адгезии характеризуют действительные условия смачивания формовочных материалов жидкой сталью в реальных условиях литейной формы при заливке металла.