Глава 4 основы литейной технологии

Процесс изготовления отливок включает стадии выплавки.металла, его заливки в форму и затвердевание отливки. Каждая из этих стадий сопровождается целым комплексом сложных физико-химических про­цессов, определяющих качество отливки. Поэтому ниже подробно рассматриваются явления, происходящие при плавке металла, его те­чении по литниковой системе, заполнении формы и затвердевании. Отдельный параграф посвящен анализу литейных дефектов и порож­дающих их причин.

4.1 ВЫПЛАВКА МЕТАЛЛА 4.1.1. ПЛАВИЛЬНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ

Эстетические характеристики литых художественных изделий за­висят от качества выплавленного металла не в меньшей степени, чем от качества литейной формы.

Выбор плавильного оборудования тесно связан с двумя факто­рами — качеством и себестоимостью литья. Себестоимость первосте­пенна только при тиражировании художественных отливок, а при изготовлении уникальных литых изделий она отступа­ет на второй план.

Стали и чугун для худо­жественного литья выплав­ляют в основном в индук­ционных электрических пе­чах (рис. 4.1). Металл для крупных отливок готовят в электродуговых печах (рис 4.2).

Чугун, кроме того, пла­вят в вагранках, которые от­личаются простотой кон­струкции и высокой удель­ной производительностью (рис. 4.3).

Для плавки цветных ме­таллов применяют следую­щие печи:

камерные (рис. 4.4), ба­рабанные (рис. 4.5) и тигель-

ные (рис. 4.6), работающие на твердом, жидком и газообразном топливе;

электрические дуговые с прямым и косвенным нагревом;

электрические индукционные тигельные и канальные;

электрические печи сопротивления тигельные и камерные;

гарнисажные вакуумные.

В камерных и барабанных печах можно выплавлять все цветные сплавы, кроме магниевых и тугоплавких. Магниевые сплавы легко окисляются, а тугоплавкие имеют температуру плавления, которая не достигается в печах такого типа.

Тигельные печи благодаря минимальному окислению пригодны для всех цветных сплавов (кроме тугоплавких).

Дуговые трехфазные печи с прямым нагревом используют для выплавки стали, дуговые печи с косвенным нагревом — для выплавки медных сплавов.

Титановые сплавы выплавляют в дуговых вакуумных гарнисажных печах с расходуемым электродом (рис. 4.7).

Для получения всех сплавов, кроме магниевых, очень широко при­меняются индукционные печи без сердечника. Канальные печи с же­лезным сердечником используют для получения латуней и алюминие­вых сплавов (рис. 4.8).

Электрические печи сопротивления пригодны для получения легко­плавких сплавов — алюминиевых, цинковых (рис. 4.9).

4.1.2. ТЕХНОЛОГИЯ ПЛАВКИ

Процесс приготовления жидкого металла является одной из самых ответственных операций литейного производства. Он оказывает боль­шое влияние на качество литья.

Перед плавкой производят расчет шихты — количества материалов, необходимого для получения сплава заданного состава с учетом потери при плавке.

В первую очередь в печь загружают наиболее тугоплавкие матери­алы. Легколетучие, сильноокисляющиеся и малые добавки желательно вводить с помощью лигатур (вспомогательных сплавов). Специальные шлаки и флюс засыпают на первую порцию шихты.

Слой шлаков или флюсов защищает расплав от взаимодействия с воздухом. Покровный шлак должен быть более легкоплавким и лег­ким, чем расплав, не взаимодействовать с расплавом.

Для стали и чугуна используют шлаки на основе системы СаО—SiO: • Для медных сплавов используют систему SiC>2—NajO с добавками хлоридов натрия, кальция, буры. Основой флюсов для магниевых сплавов служит карналит КС1 • МдСЬ- Алюминиевые сплавы в случае использования грязной и легкой шихты (например, в виде стружки) плавят также под защитой флюса из карналита с добавками хлоридов и фторидов натрия и кальция.

В процессе плавки металл может взаимодействовать с воздухом, влагой, футеровкой, в результате чего расплав загрязняется нераство­римыми оксидами, частицами разрушенной футеровки, а также капля­ми шлаков, флюсов. Для очищения металла от неметаллических вклю­чений его рафинируют. Удаляются только докристаллизационные неметаллические включения, т. е. те, которые были в расплаве до начала кристаллизации.

Рафинирование цветных металлов осуществляют различными спо­собами. Простейший из них — отстаивание. Поскольку частицы неметаллических включений легче расплава, они всплывают к поверх­ности и переходят в шлак. Правда, при этом удаляются лишь сравни­тельно крупные частицы, движение которых описывается формулой Стокса

_w.!_y£-=£-_ra_f 9 ^у Ч

где W — скорость всплывания частиц; д — ускорение силы тяжести; р_м — плотность металла; /э_в — плотность металлической взвеси (час­тиц); t} — динамическая вязкость металла; г — радиус частиц.

Частицы, размер которых измеряется микрометрами, всплывают настолько медленно, что очистить от них металл до истечения времени затвердевания методом отстаивания (даже крупных слитков) практи­чески невозможно.

Более действенный способ удаления неметаллических включений — обработка расплава рафинирующими шлака­ми или флюсами. Расплав перемешивают со шлаком или флюсом. Частицы неметаллических включений либо прилипают к каплям шлака или флюса за счет смачивания, либо просто растворяются в них. После обработки расплав необходимо отстаивать. Рафинирующие шлаки и флю­сы для цветного литья отличаются от покровных тем, что они более легкоплавки и содержат оксид натрия Na2<D, фторид кальция Сар2, криолит Ыаз AIFe, которые хорошо растворяют оксидные включения.

Неметаллические включения хорошо отделяются при продувке расплавов газами. Мелкие пузырьки газа, проходя через толщу расплава, встречаются с инородными частицами, которые прилипают к ним и выносятся на поверхность.

Универсальным и наиболее действенным способом удаления неме­таллических включений является фильтрование расплава через зернистые или спеченные пористые фильтры.

Удаление из расплава растворенных газов, кроме кислорода, осу­ществляется вакуумированием, продувкой расплава другими не раство­римыми в них газами, вымораживанием.

При продувке нерастворимыми газами пузырьки этих газов поглощают растворенные газы за счет того, что парциальное давление растворенного газа равно нулю и он переходит из раствора в пузырек продуваемого газа. Все сплавы можно продувать аргоном и гелием, медные и алюминиевые — азотом. Для алюминиевых сплавов применяют, кроме того, летучие хлориды алюминия, цинка, марганца, а также — гексахлорэтан.

Вымораживание заключается в медленном охлаждении расплава до затвердевания с последующим быстрым нагреванием. При медленном охлаждении водород и азот постепенно выделяются из расплава.

Удалить из расплава растворенный кислород позволяет раскисл е-н и е. Его проводят различными способами. Наиболее универсальным является так называемое внутреннее (осадочное) раскисление. Оно заключается во введении в расплав специальных добавок,связывающих кислород в не растворимые в расплаве соединения. Осадочное раскис­ление приводит к появлению большого количества неметаллических включений, которые обычно удаляются из расплава отстаиванием.

Проще всего удаляются включения, которые имеют компактную, лучше всего сферическую, форму и возможно меньшую плотность. Поэтому для раскисления меди используют фосфор (жидкие фосфаты меди), для сталей — сложные раскислители, которые содержат крем­ний, марганец, кальций, образующие легкоплавкие силикаты. Лишь для завершения раскисления стали вводят более сильный раскислитель — алюминий, дающий в расплаве практически неотделимую взвесь твер­дых частиц.

Необходимо отметить, что раскислению подвергают только распла­вы, содержащие кислород (стали, сплавы «железо-никель», «никель-

медь», чистая медь). Никогда не проводят раскисления сплавов железа с большим содержанием углерода, кремния, титана, сплавов никеля с алюминием, сплавов меди с оловом, цинком, алюминием, всех сплавов на основе алюминия, а также магния, цинка, свинца, олова.

Некоторые сплавы перед заливкой в литейную форму подвергают модифицированию: в жидкий металл вводят специальные добавки, которые становятся дополнительными центрами кристаллиза­ции или изменяют поверхностное натяжение расплава на границе с зародышем кристаллизации. Тем самым достигают измельчения струк­туры литого металла и, как следствие, повышения,физико-механиче­ских свойств. Так, путем модифицирования серого чугуна получают высокопрочный чугун со сферической формой графитовых включений. Широко применяется модифицирование алюминиевых сплавов.

Выплавка стали. Цикл плавки в электрической дуговой печи можно разделить на три этапа.

Первый — период расплавления шихты. Его продолжительность зависит от состава шихты и интенсивности подвода теплоты.

Второй — период окисления, в течение которого из расплава удаляются основная часть сопутствующих элементов и газы.

Третий — период доводки плавки, во время которого из стали удаляется сера, производится раскисление и легирование.

В течение всего процесса плавки печная атмосфера, шлак и расплав взаимодействуют между собой. В печи создаются условия для снижения содержания нежелательных элементов.

Подавляющую часть вредных примесей можно удалить из стали окислением. Кислород в металл поступает из руды или из воздушной атмосферы. Образующиеся при этом оксиды переходят в шлак.

При плавке в индукционных печах химические реакции между металлической ванной и шлаком протекают вяло, так как печь открыта и шлак постоянно охлаждается атмосферным воздухом. Поэтому ин­дукционные печи применяют, как правило, для переплава металличе­ской шихты.

Выплавка чугуна. Металлическая шихта при плавке чугуна в ваг­ранке состоит из следующих компонентов: литейный чугун, чугунный лом, стальной лом для регулирования химического состава, ферросплавы.

Топливом служит литейный кокс, а флюсом — известь.

Плавка протекает следующим образом. Вначале в горне вагранки разжигают порцию кокса, которая называется холостой колошей. Ког­да она разгорится, в вагранку попеременно загружают слой металли­ческой шихты, слой кокса с флюсом. Одновременно в вагранку подается воздух от вентилятора. Металлическая шихта начинает пла­виться. Капли расплавленного металла протекают через зазоры между кусками кокса и собираются вместе со шлаком в горне печи. Когда накопится большое количество чугуна, его через летку выпускают в разливочный ковш. Также периодически выпускают шлак.

Плавка чугуна в электрических печах имеет ряд преимуществ по сравнению с плавкой в вагранке. Прежде всего, она позволяет более точно выдержать химический состав сплава. Однако главное преиму­щество такой плавки при производстве художественного литья — это возможность перегрева металла, нагрева до высоких температур, и выдержки его при этих температурах в течение длительного времени, что обеспечивает лучшие условия для заполнения тонких сечений литейной формы.

В индукционных печах можно выплавлять синтетический чугун путем науглероживания расплавленного стального лома соответствую­щими карбюризаторами — боем графитовых электродов или коксом. При повышении температуры расплава у чугуна появляется склон­ность к отбелу. При затвердевании углерод выделяется не в виде графита, а в виде Рез С. Для предотвращения отбела чугун модифицируют на желобе или в ковше графизирующими модификаторами (FeSi, SiCa).

Получение сплавов на основе алюминия. Выплавка алюминиевых сплавов, как правило, сводится к переплавке чушек. Поскольку алюми­ний и его сплавы склонны к окислению и поглощению газов, их плавят обычно быстро и без избыточного перегрева. На поверхности расплава образуется тонкая пленка Ah Оз. которая предохраняет металл от дальнейшего окисления. Поэтому на поверхность расплава не наносят защитные покрытия.

Алюминиевые сплавы обычно рафинируют при помощи продувки газом, применения хлоридов в виде флюсов, вакуумной или автоклав­ной обработки.

Силумины эвтектического состава модифицируют натрием или его

солями.

Получение сплавов на основе меди. Сплавы меди легко насыщаются водородом, особенно если эти сплавы содержат кислород («водородная болезнь»). Водород при затвердевании сплава выделяется в виде пу­зырьков. Чтобы избежать подобных пороков на отливках, плавку производят под слоем предохраняющего флюса из сухого древесного угля и различных солей (буры, поваренной соли, безводной соды и др.).

Обязательной стадией плавки меди является раскисление, для кото­рого чаще всего применяют фосфористую медь.

Получение сплавов на основе цинка. Цинк и его сплавы легко окисляются в атмосфере влажного воздуха, поэтому используют только сухие шихтовые материалы и проводят плавку в нейтральной или слабовосстановительной атмосфере. При этом перегрев выше 480 ° С не допускается, так как он может привести к дополнительному окислению и насыщению газами.

Вредные примеси (свинец, олово, кадмий) при взаимодействии с водяными парами образуют оксиды, имеющие больший объем, чем металл, из которого они образовались. В результате происходит разбу­хание, коробление и даже разрушение отливок.

Для очищения цинковых сплавов от газов и оксидов применяют хлорид цинка, хлорид алюминия, гексахлорэтан, смесь солей хлорида цинка и аммония.

Получение сплавов на основе магния. Магний обладает большим сродством к кислороду, но пленка оксидов магния слишком рыхлая, чтобы защитить металл от окисления. Кроме того, расплавленный магний воспламеняется, поэтому плавку производят под слоем защит­ных флюсов или в инертной атмосфере.

Флюсы для магниевых сплавов готовят на основе карналита КС1 • МдС1₂ с добавками ВаС1₂ и СаР₂.

При разливке магниевых сплавов форму предохраняют от попада­ния флюса для предотвращения интенсивной коррозии магния.

Получение сплавов на основе титана. Титан в расплавленном состо­янии жадно поглощает газы (водород, кислород, азот)! Поэтому плавку и разливку металла проводят в вакуумных печах. Поскольку жидкий титан активно взаимодействует со всеми огнеупорными материалами, его плавят в гарнисаже — своеобразной скорлупе из того же металла, помещенной в охлаждаемый графитовый тигель. Расплавляется расхо­дуемый электрод электродуговым способом.

ЗАЛИВКА МЕТАЛЛА

Заливка — одна из операций изготовления отливок, состоящая в заполнении полости литейной формы расплавленным металлом. Рас­плавленный металл поступает из плавильного агрегата, как правило, в разливочный ковш, а затем разливается по формам. Разливку чугуна и цветных металлов производят из поворотных ковшей через носик или из чайниковых ковшей с забором металла из нижней части ковша. Большие количества металла, в особенности стали, разливают из ков­шей со стопорным устройством (рис. 4.10).

4.2.1. ЛИТНИКОВАЯ СИСТЕМА

Литниковая система — это совокупность каналов, через которые расплавленный металл попадает в полость формы.Она должна обеспечить правильное распределение металла в полости формы, не допустив проникновения инородных тел (шлака, огнеупора), разруше­ния формы, а также завихрения и разбрызгивания металла. Литниковая система, кроме того, должна способствовать созданию такого теплово.го режима в форме и отливке, при котором в процессе затвердевания и охлаждения металла не развивались бы дефекты усадочного проис­хождения. Литниковая система состоит из следующих основных эле­ментов (рис. 4.11): литниковая чаша (воронка), стояк, распределительный "канал (шлакоуловитель), литники (питатели).

Литниковая чаша направляет металл, заливаемый из ковша, в литниковую систему, гасит энергию струи, поддерживает постоянный уровень металла при заполнении формы и задерживает посторонние

включения (оксиды, шлак, песок), принесенные потоком металла из заливочного ковша. Литниковые чаши применяют при литье чугуна и цветных металлов, заливаемых из поворотных ковшей. При литье стали, заливаемой из стопорного ковша, применяются литниковые воронки. В воронках не отделяется шлак, но металл охлаждается меньше.

Стояк предназначен для подвода металла из литниковой чаши или воронки в нижние части формы. В основании стояка имеется чашечка-зумпф, гасящая удар струи и препятствующая размыванию формы.

Вертикальный стояк, как правило, соединяется с горизонтальным каналом, назначение которого — подвести металл к различным местам отливки. Этот канал называют распределительным или

литниковым ходом, при литье чугуна — шлакоуло­вителем, при литье цветных металлов — коллектором.

Литники (питатели) — последний элемент литниковой системы — предназначены для под­вода металла непосредственно в полость формы.

Различают несколько характер­ных способов подвода литников.

При сифонной заливке литники подводят к нижней части отливки (рис. 4.12, а). Сифонная за­ливка обеспечивает спокойное за­полнение полости формы без раз­брызгивания. Однако пока рас­плав достигает верхней части формы (см. п. 4.3.1), он успевает остыть, что ухудшает питание отливки из прибылей и может привести к появлению раковин в отливке.

При заливке сверху через литник, подведенный к верхней части отливки (рис. 4.12, б), форма заполняется в направлении, проти­воположном направлению выхода газов, вследствие чего часть газов может попасть в отливку. Кроме того, расплав, падая на дно формы, разбрызгивается, сильнее окисляется и может размыть форму в местах падения. Преимуществом заливки сверху является поступление самого горячего металла в верхнюю часть отливки и в прибыль.

Для заливки в середину литники подводят к середине отливки, на уровне 1/2 ее высоты (рис. 4.12, в). В этом случае нижняя часть заполняется как при заливке сверху, а верхняя — как при заливке снизу.

Практикуется и заполнение литейной формы через несколько лит­ников. Например, используется ijwa сширяющаяся ступен­чатая литниковая система (рис. 4.12, г), суммарная площадь поперечного сечения литников которой больше площади поперечного сечения стояка, благодаря чему жидкий металл, поднявшись до сред­него уровня, вновь поступает в стояк. Возникает циркуляция, показан­ная стрелками.

Обратное движение имеет место, если ступенчатая система заперта (рис. 4.12, д).

Ступенчатая литниковая система может быть разделена на несколь­ко отдельных стояков (рис. 4.12, е), заполнение которых происходит в соответствующем порядке.

Сифонная заливка металла через ступенчатую литниковую систему (рис. 4.12, ж) обеспечивает благоприятное распределение температуры в отливке.

4.2.2. ЗАПОЛНЕНИЕ ФОРМЫ

Заполнение литейной формы металлом сопровождается интенсив­ным взаимодействием расплавленного металла с атмосферой воздуха, с газами, выделяющимися из формы, с огнеупорным материалом формы.

В случае неудачной организации заполнения возможно разрушение формы, что отрицательно сказывается на качестве отливки.

Металл при заливке охлаждается, теряет жидкотекучесть, что мо­жет помешать полному вопроизведению контура формы. Перегрев металла перед заливкой не решает проблемы, поскольку он чреват опасностью окисления, газопоглощения, развития усадочных и других дефектов.

Заливка должна проводиться в определенном температурном интер­вале и с определенной скоростью.

Рассматривая процесс заполнения литейной формы, можно выде­лить три стадии движения металла: свободное падение струи металла, течение по каналам литниковой системы, движение в полости формы.

Движение открытой струи металла. Свободное падение струи ме­талла происходит при выпуске металла из печи в ковш, из ковша

в форму и т. д При этом открытая со всех сторон струя проделывает опреде­ленный путь; от длины этого пути, ско­рости течения и площади открытой поверхности металла зависит степень окисления.

Известно, что свободная струя жид­кости на определенном расстоянии на­чинает разбиваться на капли. Заливка форм такой разбрызгивающейся струей недопустима.

Степень окисления металла зависит также от растворимости его в жидком металле. Так, расплавленная медь силь­но окисляется вследствие растворения в ней закиси меди. Если же образуются нерастворимые твердые окислы, велика опасность загрязнения металла неме­таллическими включениями. При этом не последнюю роль играет механиче­ская прочность пленок. Как уже говори­лось, оксиды магния, например, обра­зуют на металле рыхлые, весьма не­прочные оболочки, проницаемые для воздуха, вследствие чего магниевые

сплавы при литье легко окисляются. Оксиды алюминия и его сплавов, напротив, образуют плотные пленки на поверхности струи металла. При малой скорости движения металла они не разрушаются, так что струя металла течет в оболочке из пленки оксидов, предохраняющей металл' от дальнейшего окисления. Однако прочность этих пленок весьма ограничена. Достаточно легкого колебания струи, чтобы пленки оборвались и были отнесены в глубь отливки. Тем не менее поверхность струи мгновенно покрывается новой пленкой.

Заливка формы свободно падающей струей металла порождает вихревое движение на дне формы, в которое вовлекаются частички шлака, окислов, пузырьки газов (рис. 4.13). Кроме того, такой способ заливки сопряжен с опасностью разрушения дна формы.

Движение металла по каналам литниковой системы. В этом движе­нии можно выделить несколько стадий.

Движение в литниковой чаше. При попадании струи металла в литниковую чашу ее скоростной напор гасится (рис. 4.14). Заполнение формы происходит под напором, определяемым уровнем металла в чаше.

В литниковой чаше создаются благоприятные условия для удаления шлака (рис. 4.14). Постороннее тело, занесенное струей из точки А в точку В, будет находиться под действием двух сил: силы всплывания,

направленной вверх, и силы потока, увлекающей постороннее тело по направлению движения. В результате тело переместится в точку С. В точке С поток снова изменяет свое направление, что сопровождается потерей скорости, и тело передвигается в точку D.

Уровень металла в чаше поддерживают постоянным от начала до конца заливки.

Движение по стояку. Из чаши металл попадает в стояк — верти­кальный канал, чаще всего круглого поперечного сечения. Обычно ради удобства формовки стояки делают суженными книзу.

Важное значение имеет заполнение стояка. При частичном заполнении стояка линейная скорость вытекания металла мала. В самом стояке возможно насыщение расплава воздухом, разбрызгивание и окисление металла.

Если стояк заполнен целиком, металл в нем почти не окисляется. Однако в распределительный канал расплав вытекает с большой ли­нейной скоростью, что вызывает большое перемешивание и окисление металла.

Движение по распределительному каналу. Основное назначение этого канала — задержать частицы шлака, флюса, огнеупора, пленки оксидов и других взвешенных включений, которыми загрязнен расплав. При достаточно малой скорости потока загрязнения, в силу того что они легче металла, постепенно всплывают и скапливаются вверху. В итоге в литники, присоединенные к нижней части распределительно­го канала, поступает чистый металл.

Площадь поперечного сечения распределительного канала должна быть достаточно большой, для того чтобы обеспечить медленное тече-

ние металла, а высоту поперечного сечения выбирают таким образом, чтобы добиться удержания загрязнений.

Для удержания взвешенных частиц в литниковой системе иногда устанавливают фильтрующие элементы.

Движение по литникам. По литникам расплав поступает непосред­ственно в форму. Линейная скорость движения расплава в литниках, особенно на выходе в полость формы, во избежание разбрызгивания должна быть незначительной. Это условие выполняется, если площадь поперечного сечения литников достаточно велика. Поскольку высота поперечного сечения литника должна быть по возможности небольшой, чтобы предотвратить попадание шлака из распределительного канала в литник, обычно увеличивают поперечный размер. Как правило, литники имеют форму узкой широкой щели. Иногда щелевые литники делают плавно расширяющимися к отливке, что позволяет уменьшить скорость движения металла.

Как уже говорилось, особое значение имеет выбор места подвода литников к отливке. Наиболее спокойное заполнение формы металлом обеспечивается при подводе литников снизу (см. рис. 4.12).

Способ подвода литников оказывает очень большое влияние на характер затвердевания отливки. Через литник протекает весь расплав, заполняющий форму, из-за чего форма около литников разогревается и охлаждение и затвердевание металла в этой области замедляются. Это может послужить причиной развития усадочных пустот в тех зонах отливки, которые затвердевают последними. Заливка металла снизу неблагоприятно сказывается на затвердевании. Последовательное и на­правленное затвердевание отливки без образования усадочных пустот наиболее легко достигается при заливке сверху. Однако условия запол­нения при этом совершенно неудовлетворительны. Вот почему в каж­дом конкретном случае приходится искать компромиссное решение, такую конструкцию литниковой системы, которая бы позволила удов­летворить первостепенные требования.

Поскольку внутренние усадочные дефекты практически не влияют на качество художественного литья, при выборе места подвода литника к отливке предпочтение должно отдаваться варианту, обеспечивающе­му спокойное заполнение, т. е. заливке снизу.

Как уже отмечалось, в зависимости от отношения площадей попе­речных сечений каналов литниковые системы могут быть сужающими­ся (запертыми) или расширяющимися (незапертыми).

В сужающихся системах соблюдается условие

**ст •" м>.» ^> 'лип

где Я_ст, Fp._r, рлит — площади поперечных сечений стояка, распреде­лительного канала и совокупности литников соответственно.

Сужающиеся системы заполняются первыми потоками расплава. В них линейная скорость истечения металла из литников определяется напо­ром, измеряемом разностью высот от уровня в чаше до литников.

В расширяющихся системах соблюдается обратное соотношение площадей поперечных сечений

fct < Fp.i < Р_ЛИТ.

Основное достоинство расширяющихся литниковых систем состоит в том, что в первые моменты заливки металл вытекает из литников в полость формы с малой линейной скоростью, определяемой уровнем металла в незаполненном распределительном канале.

Сужающиеся литниковые системы применяют для заливки чугуна, расширяющиеся — для заливки алюминиевых, медных и магниевых сплавов.

Движение металла в полости формы. Заполнение литейной формы организуют так, чтобы в результате движения металла в отливке не появились дефекты. Нельзя, например, допускать слива металла с одного уровня на другой, что аналогично заполнению свободно падающей струей.

Движение металла отдельными потоками навстречу друг другу может служить причиной спаев на поверхности отливки.

Резкие переходы в отливке от одного сечения к другому нарушают течение металла и приводят к его разбрызгиванию.Нельзя направлять поток металла перпендикулярно к стенке формы — поток может разрушить форму и вызвать различные дефекты (засоры, вздутия и др.).

4.2.3. РАСЧЕТ ЛИТНИКОВОЙ СИСТЕМЫ

Размеры элементов литниковой системы определяют по элементар­ным формулам, в которые введены обобщенные опытные коэффици­енты. В большинстве случаев расчет ведут методом Озанна-Дитерта, предложенным в первой половине XX века.

Прежде всего находят суммарную площадь попереч­ного сечения литников

F - ^{М М}

*лит — ——— —,————,

prv pip \²9"р

где М — масса отливки; р — плотность расплава; т — продолжитель­ность заливки; v — скорость истечения металла; ft — коэффициент сопротивления; д — ускорение силы тяжести; Я_р — расчетный стати­ческий напор металла.

Статический напор Н_р определяют из соотношения

я н ^^ТЛ

Н_р _.Н_СТ—,

•'"ОТЛ

где Н_ст — высота стояка от места подвода металла в форму; Н_ОТл — высота отливки; Ло_ТЛ — расстояние от места подвода металла в форму до верха отливки.

где i — преобладающая толщина отливки; A, m, n — эмпирические величины, значения А приведены в табл. 4.1; m = л = 0,334.

Наиболее часто используют зависимость т = A ³V<JM.

Коэффициент сопротивления ft, характеризующий гидравлические потери, обычно определяют экспериментально. Для мелкого тонко­стенного чугунного и стального литья этот коэффициент принимают равным 0,25—0,4, для крупного тонкостенного литья — 0,7—0,8.

По площади поперечного сечения литников определяют площади поперечного сечения распределительного

При литье по выплавляемым моделям литниковая система должна обеспечивать не только качественное заполнение литейной формы, но и компенсировать объемную усадку металла при затвердевании. Как правило, каждая форма является оригинальной конструкцией и требует разработки особой литниково-питающей системы, оптимальной для этой конструкции.

При изготовлении цент­робежным способом мелких отливок по выплавляемым моделям литниковая система состоит обычно из чаши, стояка и литников. Ее конст­руируют так, чтобы до пол­ного затвердевания отливки в стояке и чаше находился жидкий металл.

Для изготовления отливок из медных сплавов массой до 1 кг при­меняют разветвленную систему, в которой суммарная площадь попе­речного сечения литников больше плошади поперечного сечения стояка: F_CT: Р_лнт = 1:(2+4).

ЗАТВЕРДЕВАНИЕ ОТЛИВКИ

Затвердевание отливки представляет собой сложный комплекс фи­зических и физико-химических процессов, протекающих одновремен­но. Прежде всего, происходит теплопередача, определяющая распре­деление температуры в отливке и в форме. Кроме того, растут кристал­лы, имеют место сложные диффузионные явления в расплаве, кристал­лах, между расплавом и кристаллами. Наблюдается массоперенос в расплаве посредством свободной конвекции, вызываемой разностью плотностей из-за различия состава и температуры Сокращаются объем и линейные размеры отливки, что вызывает формирование усадочных пустот, а также деформацию и появление в отливке напряжений.

4.3.1. ФОРМИРОВАНИЕ УСАДОЧНЫХ ПУСТОТ В ОТЛИВКАХ

При переходе из жидкого состояния в твердое большинство метал­лов сокращаются в объеме (исключение составляют Bi, Sb, Ga, Ge). Объемная усадка приводит к появлению крупных (усадочные ракови­ны) и мелких (усадочная пористость) пустот.

Рассмотрим формирование усадочной раковины в отливке из чистого металла или сплава, кристаллизующегося при постоянной температуре.

Металл залит в форму перегретым, и уровень его достигает поло­жения 0 (рис. 4.15, а). До того как начнется затвердевание, жидкий металл охлаждается, его объем уменьшается от положения 0 до поло-же^шя 1.

/Если теплота отводится только через стенки формы, то начиная с положения 1 на стенках через какое-то время образуется твердая корочка толщиной х. Это вызовет понижение уровня до положения 2. На следующем этапе затвердевания толщина корки становится равной 2х, а уровень металла понижается до положения 3. Таким образом формируется открытая усадочная раковина

Если охлаждение той же отливки вести со всех сторон (рис. 4.15, б), то вначале на всей ее поверхности, в том числе и сверху, образуется корка. Затем из-за объемной усадки жидкий металл отходит от корки, возникшей на верхней стороне отливки. Охлаждение металла с этой стороны резко замедляется. Дальнейший ход формирования раковины не отличается от изображенного на рисунке 4.15, а. В конечном счете образуется закрытая усадочная раковина.

Объемная усадка сплавов, кристаллизующихся в интервале темпе­ратур, выражается в появлении не только концентрированной усадоч­ной раковины, но и усадочной пористости. Это обусловлено развитием области затвердевания в отливке в пределах изотерм ликви­дус и солидус (см. гл. 2). После того как граница питания достигнет центра отливки, перемещение незатвердевшей части расплава внутри отливки прекращается и ее затвердевание происходит изолированно, без компенсации усадки. Каждая пора, сформировавшаяся между вет­вями дендритов, представляет собой маленькую усадочную раковину. Такие поры имеют неправильную форму и существенно отличаются от округлых газовых пор.

Для того чтобы получить отливку без усадочных раковин, в конст­рукции формы предусматривают специальные технологические прили­вы — прибыли. Прибыли являются резервуаром жидкого металла, необходимого для компенсации объемной усадки. Объем прибыли должен быть достаточным для питания формирующихся пустот, она должна затвердевать последней»

Места установки прибылей связаны с расположением тепловых центров отливки — участков, где затвердевание заканчивается в последнюю очередь. Тепловые центры можно найти, если вписать окружности в разные сечения отливки. В сечении, в которое вписыва­ется окружность наибольшего диаметра, и будет расположен тепловой центр.

По правилу Грум-Гржимайло для получения плотной отливки она должна быть спроектирована так, чтобы каждая вышележащая ее часть обеспечила бы питание нижележащей. Технологи пользуются также правилом «выкатывания шарика». «Шарик», геометрически вписанный в термический узел отливки, должен «выкатиться» в прибыль.

В отливках часто встречаются так называемые непитаемые узлы — части отливок, превосходящие по объему прилегающие

к ним элементы. В большинстве случаев такими элементами являются стенки. После того как в стенке, соединяющей узел с прибылью, сомкнулись границы питания (см. гл. 2), в непитаемом узле еще сохра­нится какой-то объем жидкого металла. Поскольку его усадку нечем скомпенсировать, в этом узле образуется раковина.

При затвердевании сплавов с широким температурным интервалом кристаллизации, особенно сплавов, граница питания которых тяготеет к границе ликвидус, при смыкании границ питания значительный объем жидкой фазы оказывается изолированным между ветвями дендритов. В конечном счете это приводит к появлению рассеянной пористости.

4.3.2. ЛИКВАЦИЯ

Ликвацией называют неоднородность химического состава отливки, обусловленную кристаллизацией в интервале температур. Избирательная кристаллизация расплава приводит к тому, что химиче­ский состав первоначально выпадающих кристаллов отличается от химического состава жидкой фазы.

Об изменении состава твердой и жидкой фаз в процессе кристалли­зации можно судить по диаграмме состояния (см. рис. 2.6).

Диаграммы состояния базируются на статической модели различ­ных фазовых превращений в сплавах при изменении температуры.

Физико-химическое равновесие обеспечивается при выполнении следующих условий:

равенство и постоянство температуры и давления в каждой точке системы;

равенство химических потенциалов всех фаз системы, исключаю­щее протекание химических реакций;

равенство и постоянство концентраций всех компонентов в пределах каждой из фаз.

Классическая термодинамика рассматривает течение равнов