Для того, чтобы заполнить сплавом полость литейной формы, необходимо создать в металлическом потоке известное избыточное давление, потребное для преодоления различных сопротивлений, встречающихся на его пути. К таким сопротивлениям в первую очередь следует отнести сопротивление вытесняемого из формы воздуха; сопротивление газов, выделяющихся из песчаных стержней и из различных красок; трение сплава о стенки формы; внутреннее трение частиц сплава в потоке; сопротивление окисной пленки, всегда имеющейся на поверхности сплава и т.д.
Помимо этого сплав, отдавая часть своего тепла стенкам формы, становится менее жидкотекучим, иначе говоря — менее подвижным. Величина суммы указанных выше сопротивлений может быть настолько значительной, что гидродинамический напор, определяемый высотой свободно падающей струи, окажется недостаточным, и участки формы, наиболее удаленные от места подвода сплава, окажутся незаполненными.
Искусственное увеличение гидродинамического напора путем применения более высоких литниковых колодцев повлечет за собой возникновение струйчатости, вихревых потоков, фонтанирование, и как следствие этого, повышенное окисление сплава, сопровождающееся включением окислов и газов в отливку.
Литье под низким давлением позволяет заполнять полость литейной формы без применения ковша и, что очень существенно, изменять в широком диапазоне гидродинамические и теплофизические параметры технологического процесса. Литье под низким давлением позволяет автоматизировать процесс заполнения формы сплавом, а следовательно, сделать его управляемым и не зависящим от квалификации рабочего. Позволяет существенно повысить качество литья за счет избыточного давления в жидком сплаве, что, в свою очередь, допускает получение отливок с очень тонкими стенками и плотной структурой. Повышает производительность труда, так как отпадает необходимость в подносе металла, замере его температуры перед каждой заливкой, очистке поверхности и заливке в форму. Процесс автоматического заполнения сплавом полости литейной формы продолжается от 1,5 до 6-8 сек. в зависимости от веса отливки. Литые детали получаются с достаточно чистой внешней поверхностью, устраняющей необходимость механической обработки, что очень существенно снижает трудоемкость. Механические свойства отливок при этом способе обычно выше, ем при литье в песчаные формы. Плоские образцы, вырезаемые из различных участков отливок, показали те же свойства, что и отлитые стандартные образцы, а в ряде случаев и превышающие их.
Принципиальная схема установки для литья под низким давлением показана на фиг. 1. Металлическая или полуметаллическая литейная форма устанавливается на крышку герметичного стального тигля 1. Через крышку проходит один или несколько стальных металлопроводов 2, немного не доходящих до дна тигля, помещенного в электронагревательное устройство 3. Верхняя часть металлопровода, оканчивающаяся головкой 4, через литниковую втулку 5 сообщается с коллектором литниковой системы 6. Внешняя поверхность отливки получается разъемными металлическими матрицами 7, а внутренняя поверхность — сырыми песчаными или оболочковыми стержнями 8. Конструктивной особенностью литейных форм является тормозящий фильтр 9, названный так потому, что он свободно пропускает воздух, вытесняемый сплавом из полости формы, но в то же время оказывает сопротивление поступающему в него сплаву. Назначением фильтра является плавное торможение металлического потока в конце заполнения им полости формы. Заполнение формы сплавом осуществляется в следующей последовательности: в наполненный жидким сплавом тигель по трубе 10 подается сжатый воздух или инертный газ, который, оказывая давление на зеркало сплава, вытесняет его по металлопроводу вверх в литниковую систему, а из нее в полость формы. Скорость заполнения формы ступенчатая. Сплав замедленно поднимается до уровня коллектора, где, замыкая за собою электрический контакт 11, включает ускорительный клапан пневматической системы, после чего давление в тигле быстро повышается, и сплав с значительно большей скоростью заполняет полость формы. По мере возрастания сопротивлений как в самом сплаве, так и на пути его в полости формы, давление в тигле автоматически увеличивается, а, следовательно, увеличивается давление и в металлическом потоке, позволяя ему преодолевать возрастающие сопротивления.
В конце заполнения полости формы сплав, замыкая собой второй контакт электрической блокировки 12, включает соответствующий прибор, который прекращает дальнейшее увеличение давления в тигле, но в то же время поддерживает его на достигнутом уровне до того момента, когда отливка затвердеет. После затвердевания отливки сработает реле времени технологической выдержки, давление в тигле будет сброшено и матрицы раскроются.
Некоторые образцы отливок, полученных литьем под низким давлением, показаны ни фиг. 2. Эти отливки из алюминиевых сплавов имеют толщину стенок от 2 до 3 мм и наибольшую высоту 700 мм.
Уместно сказать, почему такие отливки, особенно с высокими прочностными показателями, невозможно получить с применением существующих способов литья.
Для того, чтобы заполнить сплавом литейную форму, представляющую собой большую щелевидную полость, необходимо чтобы поток сплава обладал высокой скоростью. В противном случае, поступающий в форму сплав затвердеет раньше, чем произойдет ее заполнение.
Основная трудность заключается в том, что значительная часть энергии потока расходуется на преодоление гидравлических и иных сопротивлений, возникающих при вытеснении из формы воздуха, при изменении направления металлического потока, при повышении вязкости сплава, при преодолении сплавом натяжения окисной пленки и т.д. Сумма этих сопротивлений может быть настолько значительной, что сплав в каком-либо сечении формы закристаллизуется на всю толщину стенки отливки и прекратит дальнейшие движения к участкам, расположенным выше затвердевшей зоны. Увеличение скоростного напора при существующей технологии литья в песчаные или металлические формы может быть достигнуто подъемом литникового стояка до какой-то оптимальной величины. Однако это повлечет за собой вспенивание сплава при выходе его в литниковый коллектор, разбрызгивание его, инжектирование воздуха и интенсивное окисление. Поэтому увеличить высоту литникового стояка можно только до вполне определенного значения.
Заполняемость металлической формы может быть увеличена за счет ее повышенного нагрева и снижения тем самым величины термического сопротивления. В то же время это мероприятие отрицательно скажется на последовательной кристаллизации сплава и может вызвать брак литья по усадочной пористости и трещинам.
На фиг. 3 приведена схема, иллюстрирующая падение скоростного напора при заполнении формы через обычно применяемую литниковую систему.
По мере подъема уровня сплава в форме величина напора все время уменьшается, тогда как условия получения тонкостенных отливок требуют как раз обратного, т.е. увеличения скоростного напора пропорционально возрастающим сопротивлениям. Заполнение формы должно происходить так, чтобы жидкий сплав плотно прилегал к ней, воспроизводя все ее контуры, не образуя на своей поверхности складок, пленок, неспаев, заворотов и т.п.; вместе с тем в металл при заполнении не должны быть увеличены воздух, водяные пары, газы и неметаллические включения. При литье в кокиль с обычной ковшовой заливкой потребовалось бы увеличить толщину стенки в отливке до 5 мм, как это показано на фиг. 4, т. е. ввести припуск на обработку внешней поверхности, который, будучи переведен в стружку, составил бы вес чистой детали, а в ряде случаев значительно повысил его. Известно, что стружка в производстве дает потери, так как стоимость ее в несколько раз меньше, чем стоимость сплава, приготовленного из чистых металлов. Следовательно, из одного и того же количества материала литьем в кокиль можно получить одну отливку, а литьем под низким давлением две. При литье в песчаные формы толщина стенки также будет на менее 5-6 мм, и в обоих случаях встретится значительное количество брака по разностенности, если принимать за базу внутреннюю, не обрабатываемую поверхность. Выдержать при механической обработке стенку толщиной 2-3 мм, особенно при значительных размерах отливки, очень трудно.
Широко применяемый способ литья под высоким давлением позволяет получать тонкостенные отливки высокой частоты и точности, но с габаритными размерами, не превышающими 500 мм. Правда, из иностранных источников известно о машинах, допускающих отливку значительно больших деталей, но эти машины уникальны, очень сложны, имеют высокую стоимость и требуют высококвалифицированного обслуживания и ухода. Органическим недостатком литья под высоким давлением является разброс механических свойств в разных по толщине сечениях отливки, что вызывает газовой и усадочной пористостью — постоянными спутниками этого вида литья.
Присутствие подкорковых газовых пузырьков делает невозможной термическую обработку отливок, так как в процессе нагрева газовые пузырьки расширяются и образуют на поверхности отливок выпуклости. Также невозможно применять песчаные стержни, составные металлические стерни очень сложны, удорожают процесс и не всегда надежны в эксплуатации. Высокая сложность и стоимость пресс-форм делают литье под высоким давлением рентабельным в условиях преимущественно массового производства.
За последнее время делаются попытки устранить пористость в отливках путем устройства промывников, прессования сплава в форму по ступенчатому режиму и применения вакуум-отсоса из полости пресс-формы. Однако широкого промышленного применения эти мероприятия пока не нашли.
Литье под низким давлением в металлические, полуметаллические и в оболочковые формы допускает производство отливок в поверхностью до 15 000 см2 . Такую поверхность имеет цилиндр диаметром 500 мм и высотой около 1 м. Отливки цилиндрической или другой геометрической формы могут иметь различные углубления, массивные фланцы, приливы, бобышки и другие конструктивные элементы. На литье под низким давлением может быть переведено значительное количество разнообразных отливок.
Условия, необходимые для получения тонкостенных литых деталей из легких сплавов, охватывают большое количество технологических факторов, знание которых и умение применять их на практике определяет конечный результат. Сокращение сроков оснащения технологической оснастки и получение качественных отливок зависят в равной степени от квалификации технолога и от уменья его правильно наметить методику отработки технологического процесса. Часто даже опытный технолог отвлекается второстепенными, но на его взгляд существенными факторами, и незаметно для себя отходит от правильного пути, чтобы затем вернуться на него, потеряв напрасно много времени и личной энергии. Каждый технологический процесс имеет свои, свойственные только ему особенности, которые, в свою очередь, определяют гидравлические и теплофизические параметры, обеспечивающие необходимые результаты. С другой стороны, конструкция, размеры и материал отливаемой материалы предъявляют свои технологические требования, игнорирование которых приведет к заведомо отрицательным результатам.
Операцией, решающим образом влияющей на формообразование отливки и на ее качество, следует считать подачу жидкого сплава в полость литейной формы. Эта операция, в свою очередь, находится в зависимости от размеров отливки, ее материала, конструктивных особенностей и от принятого технологического процесса.
Подача жидкого сплава в полость литейной формы за единицу времени естественно должна быть тем большая, чем быстрей снимается теплота перегрева, влияющая на вязкость сплава, а отсюда и на его жидкотекучесть. Следовательно, для получения тонкостенных отливок требуется большая подача сплава в секунду, чем для толстостенных; для отливок более высоких требуется большая подача, чем для низких при одинаковой толщине стенок. При получении отливок в металлической форме требуется большая подача сплава в единицу времени, чем при литье в песчаные или оболочковые формы и т.д.
Повышенная литейная скорость сплава при входе его в полость формы является опасной, так как она может вызвать образование открытых вихрей, сопровождающихся раздроблением струи и захватом воздуха, или окажется столь велика, что приведет к размыву сырых стержней. Эта опасность резко снижается с того момента, когда заполнение полости формы станет осуществляться «под заполненный уровень», т.е. когда уровень сплава поднимается настолько, что перекроет сечения каналов, сообщающих металлопровод с полостью формы; с этого момента открытых вихрей обычно не образуется, а энергия ускорения распределяется в объеме жидкого сплава. Следовательно, заполнение каналов литниковой системы следует осуществлять более медленно, и только после того, когда литниковая система будет заполнена, можно без опасения увеличивать скорость заполнения полости формы.
Практика получения тонкостенных литых деталей позволила определить отправные условия, положенные в основу литья под низким давлением.
1. Сохранение теплосодержания в жидком сплаве, поступающем в полость формы, за счет повышенной и регулируемой скорости потока, что позволяет получать отливки с тонкой стенкой и большой поверхностью.
С увеличением линейной скорости сплава получается более высокое теплосодержание в потоке, так как сплав за короткий период времени не успевает отдать значительную часть своего тепла стенкам формы, что способствует лучшему заполнению тонкостенных и протяженных сечений формы.
Высокая скорость потока позволяет разрушать и расплавлять образующие ветви кристаллов, что также способствует лучшему заполнению формы.
2. Создание температурного градиента в потоке сплава, обеспечивающего кристаллизацию его в узком слое, в направлении от поверхности литейной формы к средней зоне стенки отливки.
При литье тонкостенных деталей с большой поверхностью необходимо, чтобы процесс кристаллизации шел узким слоем в направлении от поверхности формы к средней зоне стенки отливки. Для этого нужно создать такое температурное поле в сечении потока сплава, чтобы температурный градиент в зоне кристаллизующего слоя был наибольшим. Чем больше температурный градиент, тем более тонкий слой алюминиевого или магниевого сплава будет кристаллизоваться в единицу времени и тем лучше будет поверхность отливаемой детали. Необходимый температурный градиент можно получить, пропустив через щелевидную полость литейной формы несколько большее количество сплава, чем это необходимо для формирования отливки. При широкоинтервальном, например, магниевом сплаве, избыточное количество его, проходящее через полость формы, будет разрушать и расплавлять кристаллизующуюся двухфазную зону и существенно улучшать также и качество структуры отливки.
3. Создание избыточного давления в жидком сплаве, заполнившем полость литейной формы, обеспечивающего питание кристаллизующихся слоев отливки как в тонких, так и в массивных сечениях.
При отливке тонкостенных деталей кристаллизация отливки в потоке происходит последовательно тонкими слоями, и жидкая фаза имеет доступ к любому участку кристаллизующегося слоя. При этом уже закристаллизовавшиеся слои будут плотными, а объемная усадка компенсируется поступающим под избыточным давлением жидким сплавом. По мере увеличения толщины кристаллизующихся слоев доступ жидкой фазы к питаемым участкам будет все более затрудняться, что послужит причиной возникновения усадочной пористости. Идеальным условием для локализации усадочных образований в тонкостенной отливке будет пропускание через полость формы такого количества жидкого сплава, при котором постепенно наращиваемые кристаллизационные корочки соединятся между собой. Однако такой прием при литье под низким давлением не будет рациональным, так как потребует большого расхода металла, в несколько раз превышающего вес отливки. Возможным, оправдавшим себя приемом будет создание в сплаве, заполнившем полость формы, постоянного избыточного давления, обеспечивающего приток жидкой фазы к кристаллизующимся слоям и заполняющего межкристаллические усадочные поры.
Это не исключает, однако, необходимости применения отводных прибылей, выполняемых на утолщенных участках, в виде приливов и бобышек.
Естественно, что при увеличении высоты отливки наименьшее значение толщины стенки также следует увеличить.
4. Плавное, по заданному режиму, нарастание давления в тигле предотвращает прорыв газа из тигля в полость литейной формы.
Прорыва газа из тигля не наблюдается, пока возрастающее давление в тигле почти уравновешивается весом сплава, вытесняемого по металлопроводу, согласно равенству
где D — диаметр зеркала сплава в тигле;
р — удельное давление газа в тигле;
d — внутренний диаметр металлопровода;
Н — высота столба сплава в металлопроводе;
?— удельный вес сплава.
Это относительное равенство сохраняется до тех пор, пока не закончится заполнение металлопровода и не начнется заполнение коллектора; при этом поток сплава в течение 0,5 — 1,0 сек. изменит свое направление с вертикального на горизонтальное, и соответствие давлений нарушается. Так создаются условия для прорыва газа, который под все возрастающим давлением направится по пути наименьшего сопротивления, т.е. в металлопровод. При последующем заполнении полости формы относительное равенство будет восстановлено, так как поток примет опять вертикальное направление. Относительным равенство названо потому, что при абсолютном равенстве никакого движения металла не будет.
Была установлена оптимальная скорость движения сплава при подъеме его до уровня коллектора и при заполнении полости формы.
В первом случае величина линейной скорости может колебаться в пределах 0,05 — 0,1 м/сек, а во втором от 0,15 до 0,4 м/сек.
Опасность прорыва газа возрастает с увеличением объема горизонтальной части коллектора, требующего более длительного времени для заполнения его сплавом, поступающим из металлопровода. Необходимый режим и регулирование скорости нарастания давления обеспечиваются автоматически приборами управления.
5. Плавное торможение потока сплава после заполнения им полости литейной формы гасит инерционные силы, направленные вдоль потока, и повышает в нем гидростатическое давление.
В тот момент, когда жидкий сплав, заполнив форму и полость промывника, прекращает свое поступательное движение, кинетическая энергия потока превращается в потенциальную, а скоростной напор — в гидростатическое давление. Если торможение потока имеет резкий характер, то в нем наблюдается явление гидравлического удара, причем энергия этого удара распространяется в жидкой фазе сплава в направлении, обратном движению потока, т.е. сверху вниз. Под действием гидравлического удара сырые стержни, сделанные из формовочной смеси, деформируются, что сказывается на геометрической форме и размерах получаемых отливок. Плавное торможение потока сплава после заполнения им полости формы устраняет гидравлический удар и повышает в жидкой фазе сплава гидростатическое давление, необходимое для уплотнения структуры, устранения газовых вмятин и для повышения четкости и точности поверхностей отливаемой детали.