Составляющие расплава, поступающего в форму, вступают в химическое взаимодействие с атмосферой и материалом формы, в результате чего па его поверхности возникает слон продуктов реакции. Обычно такими продуктами бывают окислы, а у сплавов, отдельные составляющие которых имеют большое сродство к азоту, — нитриды. Если возникающие вследствие подобных химических реакций продукты растворяются в сплаве (например, закись железа FeO в стали), то сплошного твердого слоя не об разуется. Однако окислы таких элементов, как Cr, Al, Ti, в сплавах не растворяются и образуют тугоплавкие и плотны* пленки. При механическом разрушении окисные пленки способствуют образованию неметаллических включений, называемых пленами.
Пленами называют пленки па поверхности и внутри отливки, состоящие из окислов с включениями формовочного материала.
Механизм образования плен в общих чертах может быть представлен следующим образом. Окиспая пленка, образовавшаяся па поверхности поступающего в полость формы расплава, после достижения определенной толщины оказывает значительное сопротивление его продвижению. При недостаточном давлении расплав не может разрушить пленку, и дальнейшее заполнение формы прекращается. В таком случае отливки получаются с недоливами, неспаями, с нечеткими контурами и поверхностными пленами. При механическом разрушении окисной пленки форма заполняется, но отливка получается с дефектами — пленами.
При быстром неспокойном поступлении в форму расплава; плена разрушается на его гребне. Вытекающий через разорванную плену расплав заливает смежные участки полости формы. В этом случае плена полностью или частично остается в толще отливки. Отдельные куски разорванных пленок цепляются за стенки формы и стержней, захватывая с собой формовочную и стекольную смесь и краску, заворачиваются и оседают в различных местах полости формы. При спокойном равномерном заполнении формы плена прорывается по всей поверхности, прижимается расплавом к форме или стержням и частично выносится на поверхность отливки. Прижимаясь к стенкам формы или стержней, плены могут способствовать образованию неровной волнистой поверхности отливок.
Увеличение склонности сплава к пленообразованию вызывают алюминий, титан, хром. Наличие в сплаве в качестве легирующего элемента алюминия приводит к образованию плен даже при высоких температурах. При содержании в сплаве более 0,5% титана на поверхности стали образуется плена толщиной в несколько миллиметров. Хром образует прочную плотную плену, причем с повышением его содержания склонность стали к пленообразованию увеличивается. Исследования, проведенные на специально разработанной технологической пробе, показали, что в низкоуглеродистых сталях (0,10—0,12% С) склонность к пленообразованию резко увеличивается при содержании в них до 15—17% хрома. При дальнейшем повышении его содержания склонность стали к пленообразованию практически остается постоянной (рис. 41, а). Образование подобных плен окислов наиболее характерно для высоколегированных специальных сталей и сплавов, однако они могут возникнуть даже в обычных сплавах на основе железа, содержащих небольшое количество легирующих элементов, например более 0,15% алюминия или 0,5% хрома.
Склонность стали к образованию плен увеличивается при ее многократном перегреве без наведения шлака. Если в этом случае сталь раскисляли силикокальцием, то склонность ее к пленообразованию не изменяется. При раскислении алюминием вначале пленообразовапие уменьшается, а после многократных перегревов увеличивается вследствие образования плотной пленки окисленного алюминия на открытой поверхности.
На образование в отливках плен существенное влияние оказывает температура расплава и атмосфера в полости формы. При достаточно высоком перегреве на поверхности ванны большинства расплавов плены не образуются. При понижении температуры расплава до определенной величины, различной для каждой марки сплава, они начинают появляться.
Температуру расплава, при которой начинают появляться плены, называют температурным порогом пленообразования. Так, для стали Х1811ТЛ этот температурный порог составляет 1600—1630° С, для стали Х20Н5П2АФЛ — 1500—1580° С. При нагреве сплава выше порога пленообразовапия плены исчезают. Чем выше эта температура, тем менее сплав технологичен, так как при повышении температуры заливки в отливках появляются другие дефекты.
В атмосфере форм, имеющих закрытые прибыли (закрытые формы), количество свободного кислорода в процессе заливки сначала медленно, а затем быстро снижается. Одновременно замедляется процесс пленообразоваиия. В атмосфере форм, имею щих одновременно как закрытые, так и открытые прибыли (полузакрытые формы), содержание кислорода уменьшается менее интенсивно и не достигает такого уровня, как в закрытых. Еще медленнее снижается содержание кислорода в формах, имеющих большие открытые прибыли (открытые формы). В таких формах вследствие постоянного притока свежего воздуха процесс пленообразования происходит более интенсивно.
Способы предотвращения плен. Одним из наиболее эффективных способов уменьшения количества плен в отливках является повышение температуры и скорости заливки расплава.
При повышении температуры заливки выше порога пленооб разования плены не образуются. Однако, как уже указывалось, значительное повышение температуры заливки приводит к воз никповеппю таких дефектов, как пригар, горячие трещины, усадочные раковины пористость. Поэтому во многих случаях прибегают лишь к значительному увеличению скорости заливки. Подбором требуемой скорости заливки и соответственно скорости подъема уровня расплава в форме можно выводить окисную плену в прибыльную часть отливки или предотвращать ее образование. Таким образом, необходимым условием предотвращения образования плен является заливка расплава с достаточной температурой перегрева и с высокой скоростью подъема его уровня в форме. При проектировании литниковых систем для отливок, склонных к образованию плен, должно быть предусмотрено спокойное заполнение формы расплавом, возможность выноса окисных пленок в прибыли, грязесборники и подвод расплава только снизу.
Один из способов уменьшения количества плен в отливках заключается в создании в форме активной восстановительной атмосферы. Это достигается введением в полость формы таких органических веществ, как мазут, каменноугольная смола и пек. С увеличением органических материалов в формовочной смеси и повышением температуры стали возможно восстановление окислов металлов углеродом или даже окисью углерода. Поэтому при увеличении количества органических материалов в состапс формовочной смеси в реакции раскисления на границе раздела металл—форма участвует не только углерод, имеющийся в сплаве, но и углерод органических добавок.
Так, добавка 3% мазута в облицовочную смесь практически полностью предотвращает образование плен даже при относительно низкой температуре заливки стали Х18Н9ТЛ. Хорошие результаты получаются также при окрашивании поверхности формы и стержней краской, состоящей из разбавленного в отношении 1 : 1 керосином мазута.
