Воздух и газы отвлекают чрезвычайно много внимания при освоении технологического процесса получения тонкостенных отливок.
Процессом, происходящим в полости формы с момента поступления в нее металла, является взаимодействие его с газами, находящимися в форме. Это взаимодействие может быть физическим, но оно также может сопровождаться и химическими реакциями. Лучшим способом борьбы с газовыми дефектами будет устранение источников их возникновения. Источников этих много, но из их числа можно выделить основные, решающим образом влияющие на качество отливок. Они следующие:
1) воздух, находящийся в полости литейной формы;
2) водяной пар, выделяющийся из сырых песчаных стержней;
3) газы, образующиеся при выгорании крепителя из сухих стержней;
4) газы, образующиеся из защитных присадок при литье магниевых сплавов;
5) водяной пар из влаги, конденсированной на холодильниках;
6) воздух или инертный газ, прорывающийся из тигля в полость формы;
7) водяной пар, выделяющийся из теплоизоляционного покрытия при его недостаточной просушке;
8) газы, растворенные в сплаве и выделяющиеся из него при затвердевании.
Газы, находящиеся в полости формы, а также выделившиеся в нее из других источников, при нагревании от металла сильно увеличиваются в объеме, и поэтому приходится говорить об удалении из полости формы не одинарного, а многократного объема газов. Совершенно очевидно, какое значение приобретает вопрос об устранении источников газовыделения и об искусственной вентиляции формы. При ковшовой заливке песчаных или металлических форм вопрос с удалением газов решается более просто. Медленно поднимающийся уровень сплава в полости формы позволяет газам беспрепятственно удаляться через открытые выпоры, через поры песчаных стержней, через зазоры по плоскостям разъема формы и через специальные воздухоотводные щели и каналы. Газы, проникающие в металл и перемещающиеся вместе с ним в полости формы, имеют возможность подняться вверх и удалиться через выпоры, чему способствуют толстые стенки отливки, сплав в которых долгое время остается в жидком состоянии.
Несколько сложнее удаление газов и воздуха при литье тонкостенных деталей под низким давлением. Кратковременность заполнения формы (2—4 сек.) и отсутствие открытых выпоров ведут к тому, что сплав часто опережает вытесняемый им воздух, который в этом случае остается захваченным между сплавом и стенкой формы. Это усугубляется также и тем, что стенки формы сплавом не смачиваются, а следовательно, он не может зайти в шероховатости на поверхности формы (металлической) в начальный момент соприкосновения с нею. Воздух остается в этих мельчайших углублениях даже при повышении гидростатического давления.
Кристаллизация сплава в тонкостенных полостях формы происходит очень быстро, и удаление газов через металл в силу этого становится невозможным. При наличии в форме горизонтально расположенных площадок и ребер, жидкий сплав при своем движении снизу вверх не сразу заполняет их очертания, а благодаря приобретенной инерции проходит еще некоторое расстояние, как это показано на фиг. 20. После того как давление в сплаве, определяемое высотой уровня Н, достигнет определенного значения, сплав, нарушив поверхностное натяжение в сечении А-А, продолжит свое движение, вытесняя воздух и заполняя горизонтальный участок формы.
Воздух, вытесняемый из горизонтального участка формы, часто остается захваченным между металлом и формой. Эти особенности литья под низким давлением требуют в ряде случаев специальных мероприятий, направленных на устранение газовых дефектов в отливках.
Вполне очевидно, что полного устранения источников газообразования осуществить не удастся, поэтому все внимание следует обратить на уменьшение их активности.
Содержание влаги в поверхностном слое сырых песчаных стержней к моменту их установки в форму не должно превышать 5—6%, а сами стержни должны иметь надлежащую систему газоотводных каналов. Количество защитных присадок в формовочных и стержневых смесях при отливке из магниевых сплавов целесообразно держать на нижнем пределе. Металлические холодильники следует тщательно просушивать и снабжать насечкой для отвода воздуха и повышения поверхности охлаждения. Очень часто металлические литейные формы имеют подвижные и неподвижные вставки, образующие в отливаемой детали соответствующие углубления. При удалении этих вставок из отливки обычно нарушается слой теплоизоляционного покрытия, которое приходится поправлять, т.е. наносить свежий слой. В дальнейшем, при контакте с металлом свежеокрашенной поверхности, происходит испарение остаточной влаги, вызывающее наружную газовую раковину или «вскип», пример которого показан на фиг. 21.
Рациональным мероприятием будет увеличение наклона или конуса на металлической вставке, что позволит ей уже в первый момент разъема нарушить соприкосновение с отливкой и сохранить неповрежденным слой покрытия.
Дефекты газового происхождения наблюдаются в большей мере на внешней поверхности отливаемых деталей. Причиной их является воздух или газы, захваченные между поднимающимся сплавом и стенкой формы. Газовый пузырь, захваченный между сплавом и стенкой металлической матрицы, претерпевает ряд изменений.
По мере нагрева пузырь начинает увеличиваться в объеме и оказывать давление на начинающую кристаллизироваться корочку сплава. Если прочность этой корочки и внутреннее давление в потоке сплава незначительны, то газовый пузырь начнет изменять свою форму и, прорвав корочку, проникнет в тело отливки. Для устранения возможного проникновения воздуха или других газов в отливку необходимо, чтобы давление в сплаве было больше, чем давление в нагревающемся пузырьке. Повысить гидростатическое давление в сплаве можно увеличением скорости заполнения формы с последующим торможением металлического потока.
К числу специальных мероприятии, направленных на устранение дефектов газового происхождения, встречающихся на внешней поверхности отливаемой детали, относится интенсивная вентиляция металлических матриц путем выполнения в них формообразующих наборных пластин. Показательна в этом отношении практика литья методом выжимания, где, как известно, газовые дефекты, вызываемые захватом воздуха между поднимающимся сплавом и сближающимися матрицами поражали значительное количество отливок. Многочисленные вентиляционные пробки и различная шероховатость теплоизоляционного покрытия не могли полностью устранить газовые дефекты. После того как рабочая часть матриц была выполнена из наборных пластин (сечением 30х100 мм), газовые дефекты были полностью ликвидированы. При этом не нужно делать специальных зазоров по стыкам пластин. Шероховатость поверхности, получаемая после резца, служит вполне достаточным капилляром для свободного выхода воздуха.
Первые конструкции литейных форм не имели формообразующего набора, а были выполнены как обыкновенные кокили с установкой вентиляционных пробок в местах возможного скопления воздуха. На внешней поверхности большинства отливок встречались газовые дефекты в виде окисленных, восходящих газовых следов и концентрированных газовых раковин. Газовые дефекты большей частью располагались на тех участках поверхности отливки, где внутреннее давление в потоке было меньше (ребра, утолщенные места и т.п.). Изменение толщины слоя и шероховатости защитного покрытия в какой-то степени влияло на количество газовых дефектов; так, например, первые отливки, полученные в свежеокрашенной форме, обычно не имели газовых дефектов. По мере уменьшения толщины слоя покрытия и ухудшения его капиллярности газовые дефекты становились все более интенсивными. Ряд специально поставленных экспериментов подтвердил, что манипулирование с защитным покрытием в целях устранения газовых дефектов нецелесообразно. Было решено идти по пути интенсивной вентиляции формы. Обычно применяемые вентиляционные пробки в наших условиях не годились. Во-первых, пробки оставляют отпечатки на поверхности отливки, что не всегда допустимо; во-вторых, пробки при многократном удалении для очистки ослабляют свою посадку в гнездах и начинают выпадать из них; в-третьих, поверхности пробок, соприкасающиеся с заливаемым металлом, имеют различную кривизну, и правильная установка их после очистки требует кропотливого труда. Все это вместе взятое и вынудило нас применить формообразуюший набор из полуколец, что полностью устранило внешние дефекты газового происхождения.
В начальной стадии освоения литья тонкостенных деталей не придавали существенного значения линейной скорости сплава в металлопроводе, так как основное внимание было обращено на скорость заполнения полости формы. На ряде отливок наблюдались интенсивные газовые раковины, в отдельных случаях поражающие всю поверхность и структуру литой детали (фиг. 22).
Было предположение, что такое обильное газонасыщение могло возникнуть в результате инжекции воздуха через зазоры в форме. Дефект не был стабильным, на одних отливках он отсутствовал, а на других встречался в разной степени активности.
При проведении работ с магниевыми сплавами было обнаружено, что в пустотах, представляющих собой газовые раковины в отливке, имеющей обильное газонасыщение, встречается порошковая окись магния. Возникла гипотеза, что окись магния могла проникнуть в полость формы из тигля, увлекаемая металлическим потоком, проходящим по металлопроводу. Для удаления окиси магния тигель был продут сильной струей аргона, после чего включения окиси в отливках не наблюдалось.
При дальнейших опытах было установлено, что газонасыщение отливок существенно уменьшается и даже отсутствует, если скорость прохождения сплава по металлопроводу более замедлена, а переход сплава из металлопровода в коллектор и дальше в полость формы осуществляется плавно и без толчков, регистрируемых манометром, сообщающимся с полостью тигля.