При получении литых деталей в песчаные или металлические формы (кокили) заполнение форм сплавом и кристаллизация его происходит под атмосферным давлением (за исключением отдельных случаев заливки в вакууме). При этом кристаллизация обычно происходит во всем объеме заполнившего форму сплава с пополнением междукристаллических пустот за счет вышележащих слоев под действием их веса.
Существенное влияние на процесс кристаллизации имеет скорость заполнения сплавом полости литейной формы. Чем медленнее заполняется форма, тем в более широком слое происходит зарождение центров кристаллизации, тем большая масса сплава кристаллизуется в единицу времени и тем менее четко выделена граница между твердой и жидкой фазами.
Иная картина наблюдается при быстром заполнении.
Перемещающийся с большой скоростью поток размывает и расплавляет структурный скелет, замедляет рост кристаллизационной корочки, сокращает массу металла, кристаллизующуюся в единицу времени, и резко отделяет жидкую фазу от твердой.
На фиг. 7, а показана условная схема кристаллизации сплава АЛ-2 при медленной заливке, а на фиг. 7, б аналогичная схема, но при более быстрой заливке. Как видно, во втором случае фронт кристаллизации занимает более узкий слой с обильным содержанием жидкой фазы. При существующих способах литья скорость заполнения формы не поддается регулированию, так как она находится в прямой зависимости от напора, определяемого, в свою очередь, высотой литникового стояка, т.е. фактора, регулируемого в очень незначительных пределах.
Необходимо иметь в виду, что при литье тонкостенных деталей со стенкой толщиной 2-3 мм процесс снятия теплоты перегрева от температуры заливки до начала кристаллизации происходит очень быстро, а следовательно, и сам процесс кристаллизации занимает несколько секунд.
Это условие определяет роль промывника как резервуара, предназначенного для перепуска определенного объема жидкого сплава, размывающего структурный скелет и уплотняющего кристаллизующийся слой. При обычных способах литья с малым температурным перепадом в потоке трудно обеспечить одновременное присутствие твердой и жидкой фаз, в силу чего кристаллизация будет происходить одновременно по всему сечению с образованием структурных мостов, препятствующих дальнейшему продвижению сплава.
При литье под низким давлением более высокое теплосодержание в потоке, определяемое повышенной скоростью перемещения сплава, способствует расплавлению структурных мостов и увлечению потоком уже сформировавшихся кристаллов. Для проверки скорости кристаллизации сплава был проведен специальный эксперимент. В верхней части полуметаллической формы (фиг. 8) была установлена переливная чаша 1, сделанная из стержневого состава.
Объем чаши был равен двукратному объему полости формы. Заполнение полости формы и переливной чаши магниевым сплавом под избыточным давлением продолжалось около 3 сек., после чего тигель сообщался с атмосферой, и сплав из полости формы сливался обратно. Полученная при этом кристаллизационная корочка показана на фиг. 9 и 10, а на фиг. 11 дан разрез литникового остатка, извлеченный из литниковой втулки, через которую происходило заполнение формы и обратный слив сплава, Этот и последующие эксперименты с магниевым и алюминиевым сплавами подтвердили кратковременность образования кристаллизационной корочки, причем более толстая корочка (до 0,1— 0,2 мм) наблюдалась со стороны сырого песчаного стержня, что могло быть результатом испарения влаги и ускоренного в связи с этим охлаждения пограничных слоев сплава.
Для того чтобы тонкостенная отливка не имела усадочных дефектов в виде пористости, а также газовых дефектов в виде вмятин, раковин и окисленных следов, необходимо создать такие условия кристаллизации, при которых жидкая фаза сплава под повышенным давлением непрерывно поступала бы к кристаллизующимся слоям по всей высоте отливки.
При литье под низким давлением это обеспечивается самим характером кристаллизации сплава в условиях движущегося потока. Под влиянием возрастающего давления (от нагревания) воздух, пары воды и газы, находящиеся между сплавом и стенкой формы, стремясь расшириться, будут перемещаться в том направлении, в котором сопротивление проникновению наименьшее. Если давление в потоке сплава незначительно, то тонкая корочка под давлением расширяющегося газа продавливается, оставляя на поверхности отливки вмятину. Перемещающийся воздушный пузырь, отдавая кислород металлу, оставляет на поверхности отливки окисленный след.
На фиг. 12 показана микроструктура стенки отливки из алюминиевого сплава АЛ-4 толщиной 2,5 мм со стороны, образуемой сырым стержнем, сделанным из формовочной смеси. Как уже отмечалось, кристаллизация тонкостенных отливок протекает более интенсивно со стороны сырого стержня, чем со стороны металлической матрицы, имеющей, кроме того, специальное теплоизоляционное покрытие. Микроструктура подтверждает значительное количество столбчатых кристаллов, характерных для зон, кристаллизующихся с высокой скоростью. Наоборот, структура отливки со стороны металлической матрицы (фиг. 13) состоит из равноосных разного размера кристаллов, что говорит о замедленной кристаллизации.
Полость в литейной форме, предназначенная для получения литой детали, имеет нижнюю, среднюю и верхнюю зоны. Верхняя зона примыкает к полости промывника, а нижняя к коллектору. Условия, при которых производится пополнение усадочных пустот, возникающих в результате объемной усадки сплава, целесообразно рассматривать применительно к этим зонам.
а) Условия для питания кристаллизующихся слоев,
расположенных в нижней зоне отливки
По общепринятой технологии литья в песчаные и металлические формы (кокили) положение отливаемой детали определяется, помимо других факторов, расположением наиболее массивных сечений в верхней зоне формы под питающими прибылями. При проектировании литниковых систем стремятся к тому, чтобы иметь возможность подать в прибыли наиболее горячий сплав, делая для этого специальные ответвления от литниковых стояков, подающие сплав в дополнительные верхние коллекторы, сообщающиеся с прибылями, или доливая прибыли из другого ковша. При этом исходят из общепринятой схемы кристаллизации в направлении снизу вверх, с последовательным питанием усадочных образований за счет вышележащих и более горячих слоев жидкого металла.
При литье под низким давлением положение меняется. Избыточное давление, под действием которого сплав поступает в литейную форму, позволяет располагать массивные участки отливки в нижней зоне, гарантируя их высокую плотность, четкость очертаний и чистоту поверхности.
Рассмотрим на примере питающую систему нижней зоны отливки, полученной литьем под низким давлением из алюминиевого сплава. На фиг. 14 показана схема отливки, имеющей на нижнем фланце массивные приливы, примыкающие к стенкам толщиной 2 мм. Для подъема сплава из коллектора до верхней точки промывника необходимо давление P=H?/13,6·?, где ? — коэффициент превышения для указанной отливки, равный по опытным данным 1,25. Подставив цифровые значения, получим
По мере утолщения кристаллизационных корочек и повышения вязкости в сплаве приток его снизу вверх затрудняется и одновременно с этим повышается давление в коллекторе. Это явление объясняется тем, что сплав, заполнив полость формы, расположенную выше коллектора, начнет кристаллизоваться в направлении от поверхности формы к средней зоне стенки отливки. Через некоторое время все сечение полости формы, заполненное сплавом, затвердеет, тогда как сплав, находящийся в более массивном и хорошо утепленном коллекторе еще некоторое время (5-10 сек) будет пребывать в жидком состоянии.
В то же время на сплав, находящийся в коллекторе, уже не будет оказывать давления вышележащий столб металла, заполнившего полость формы и затвердевшего в ней. В результате давление в коллекторе приобретает полное значение, т.е. 60 мм рт. ст. Это давление, поддерживаемое в течение технологической выдержки, весьма интенсивно и равномерно вытесняет жидкий сплав в более массивные сечения, расположенные в зоне нижнего фланца. Более ощутимое представление об эффективности нижнего питания можно получить, если перевести давление в 60 мм рт. ст. на эквивалентную высоту столба алюминиевого сплава, т.е. высоту обычной прибыли
Следовательно, жидкий сплав, поступающий под давлением 60 мм рт. ст. из коллектора к массивным сечениям нижнего фланца, производит такую же работу, какую произвела бы отводная прибыль высотой 310 мм, показанная тонкими линиями на фиг. 16. Следует добавить, что тепловые параметры коллектора значительно выше, чем отводной прибыли, благодаря более высокой температуре и лучшей теплоизоляции, что еще больше повышает его эффективность. Также необходимо учитывать, что обычные прибыли действуют только на тот участок, к которому они примыкают, тогда как коллектор обеспечивает интенсивную подачу жидкого сплава ко всему периметру фланца отливки с имеющимися на нем приливами, утолщениями, бобышками и ребрами. В этом заключается одно из ценник преимуществ литья под низким давлением.
На фиг. 15,а показан частичный разрез литейной формы по массивной бобышке, имеющейся на нижнем фланце. При ширине щели кольцевого питателя, равной s, на всех бобышках наблюдались усадочные утяжины а. После местного увеличения питающего сечения (только под бобышками) до размера усадочные утяжины были ликвидированы (фиг. 15, б).
В суженном сечении питателя в результате интенсивного отвода тепла массивным основанием кокиля возникали структурные мосты I—I из сросшихся кристаллов, изолирующие питаемое сечение от жидкого сплава, находящегося в коллекторе.
Интересное явление наблюдалось при отливке из алюминиевого сплава детали высотой 800 мм при рабочем давлении в тигле, равном 250 мм рт. ст. Спустя некоторое время после заполнения формы створчатые матрицы неожиданно приподнимались над плитой, скользя по колонне, и металл уходил в образовавшуюся щель. Подъем матриц весом в 200 кг происходил за счет устранения противодавления на коллектор, которое оказывал жидкий сплав до затвердевания его в полости формы.
Сделаем простой расчет.
Площадь проекции кольцевого углубления для коллектора, выполненного в подвижных частях матрицы, и горизонтальная площадь металлоподводящих каналов, соединяющих коллектор с центральным металлопроводом, были равны 425 см?. Давление в коллекторе после заполнения формы P=25·13,6/1000=0,34 кГ/см? . Учитывая силу инерции сплава, возникающую в момент его торможения, можно с достаточной точностью принять давление равным 0,5 кГ/см?. Отсюда общая подъемная сила P=425·0,5=212,5 кГ. Как видно, эта величина превышает вес матриц. Для устранения подъема матриц пришлось сделать специальное противоподъемное устройство и ввести его в число нормализованных деталей.
б) Условия для питания кристаллизующихся слоев,
расположенных в верхней зоне отливки
Питание усадочных образований верхнего фланца и прилегающих к нему участков отливки осуществляется в основном за счет жидкого сплава, находящегося в полости промывника. Объем промывника может составлять от 70 до 100% к объему отливаемой детали. Толщину кольцевого или иного по своей форме промывника следует делать не менее 20 — 25 мм, так как при меньшем сечении сплав в нем не будет обладать необходимым теплосодержанием. Существенно, чтобы площадь основания промывника не была меньше площади питаемого сечения. Оптимальным считается, когда площади этих двух сечений равны между собой.
На фиг. 16 показан пример газовых раковин, обнаруженных в утолщенных приливах верхнего фланца отливаемой детали. Ширина кольцевого промывника при этом была меньше питаемого сечения, что повлекло за собой захват воздуха. При получении отливок небольшой высоты порядка 200—250 мм со стенкой толщиной 3 мм промывник после извлечения детали из формы не имел обычных в таком случае углублений и вмятин, образующихся под действием атмосферного давления, продавливающего поверхностную корочку в том месте, где часть сплава из промывника переместилась в питаемый им участок отливки. Можно предположить, что избыточное давление в сплаве оказывает свое действие до тех пор, пока на границе сплава и стенок формы, образующих промывник, не получается достаточно прочная корочка, способная противостоять давлению атмосферы. Изломы кольцевого промывника показали, что, несмотря на отсутствие внешних вмятин, в центральной зоне его наблюдается резкая усадочная рыхлота, указывающая на то, что часть жидкого сплава переместилась в питаемое сечение.
Для уменьшения теплоотдачи часть поверхности матрицы, образующую полость промывника, изолируют более толстым слоем теплоизоляционного покрытия.
в) Условия для питания кристаллизующихся слоев,
расположенных в средней зоне отливки
Наибольшего внимания требует средняя зона отливки, так как на ней обычно имеются различные — большие и малые утолщения.
Существует мнение, что отлить можно любую деталь. Правда, отлить можно любую деталь, но нужно учитывать, какого труда это будет стоить литейщикам и какой выход годного при этом получится. В то же время своевременно внесенное в конструкцию литой детали изменение, не отражающееся на ее эксплуатационных качествах, может существенно облегчить процесс отливки, снизить стоимость оснастки и, что самое главное, сократить срок технологического освоения.
Разрабатывая технологическую методику отливки, следует обратить особое внимание на технологичность отдельных ее элементов. Если имеется возможность, то следует совместно с конструктором решить вопрос о сокращении металлоемкости местных приливов и утолщений, сделать более плавные переходы от толстых сечений к тонким, определить возможность выполнения отводных прибылей и удобство их последующей отрезки, так как один не технологичный элемент детали может послужить причиной массового брака литья.
Кристаллизация средней зоны отливки, расположенной между верхним и нижним фланцами, будет затруднена тем, что приток жидкой фазы сплава к питаемым сечениям ограничен по времени. Если в коллекторе и промывнике сплав длительное время сохраняет свою подвижность, то в тонкостенных сечениях формы он быстро охлаждается и резко снижает жидкотекучесть.
Следовательно, давление в сплаве, заполнившем полость формы, сохраняется только до момента полной кристаллизации тонких стенок отливки, отделяющих среднюю зону от нижней, примыкающей к коллектору, или от верхней, примыкающей к промывнику. В утолщенных участках, окруженных тонкими стенками, сплав, кристаллизуясь, будет сокращаться в объеме, образуя межкристаллическую усадочную пористость. Такими изолированными участками обычно являются местные утолщения стенок, приливы, кронштейны, а также продольные и поперечные ребра жесткости.
Очевидно, что для питания усадочных образований в местных утолщениях, расположенных в средней зоне отливки, недостаточно давления в жидкой фазе сплава, действие которого ограничено по времени, и приходится применять общелитейные технологические приемы, как, например, отводные прибыли, холодильники, разрядку сечений, технологические приливы и пр. Возможность осуществления этих мероприятий следует предусматривать и осуществлять еще при разработке чертежа литой детали и проектировании технологической оснастки.
Основными видами брака усадочного происхождения, встречающимися в средних зонах тонкостенных отливок, являются межкристаллическая пористость, рыхлота, раковины, а также и трещины в переходах от толстых сечений к тонким. Основными мероприятиями, направленными на устранение усадочных дефектов в утолщенных сечениях, будет выравнивание скорости кристаллизации этих участков применением холодильников, а также созданием условий для подвода к ним жидкого сплава для заполнения межкристаллических пустот. В отдельных случаях улучшение питания усадки может быть достигнуто выполнением технологического прилива (фиг. 17), удаляемого в дальнейшем при механической обработке. Устройством такого прилива облегчается подача жидкого сплава из коллектора или из промывника, но только в том случае, если питаемые сечения находятся от них в непосредственной близости.
Применяя холодильники. следует помнить, что они, а свою очередь, могут быть причиной вскиповых раковин и спаев в отливке. Вскиповые раковины появляются потому, что воздух, содержащий пары воды, будучи нагрет, омывает поверхности холодильников, и они отпотевают, так как на них конденсируется избыточная влага. Чем чище металлическая поверхность холодильников, тем интенсивнее идет конденсация влаги. При соприкосновении сплава с холодильником влага снова испаряется, а так как холодильник не газопроводен, то пузыри пара идут через металл и застревают в нем. Учитывая это, следует обращать особое внимание на подготовку холодильников.
В отдельных случаях на поверхности тонкостенных литых деталей, получаемых литьем под низким давлением, встречается усадочная пористость, преимущественно в средней зоне. Причина этого кроется в нарушении теплового режима, при котором какой-либо участок формы по сравнению с другим обладает повышенной теплопроводностью.
На фиг. 18 показан участок металлической матрицы коробчатого типа с ребрами жесткости а. Естественно, что теплопроводность такой матрицы будет различна. При равномерной толщине стенки величина теплопроводности на участке б будет иметь одно значение, а на участке в, где продолжением толщины стенки являются массивные ребра, — другое. При отливке тонкостенных деталей в матрицах подобной конструкции встречалась микропористость, расположенная в тех местах поверхности отливки, которые соответствуют участку матрицы с равномерной толщиной стенок, но ограниченному с обратной стороны ребрами жесткости. Повышенная теплопроводность способствует более интенсивной кристаллизации на участке матрицы против ребра с преимущественным ростом кристаллов в направлении, перпендикулярном к поверхности охлаждения. При этом обычно возникают вытянутые столбчатые кристаллы, образующие структурные мосты, изолирующие участок отливки от притока жидкого сплава. Усадочная пористость на равностенных участках обычно пропадает с повышением температуры сплава, так как при этом при достаточно большой линейной скорости потока возникает большой температурный градиент и кристаллизация идет более тонкими последовательными слоями. Между этими слоями сохраняется свободный проход для жидкого сплава. Кроме того, жидкий сплав, протекающий под давлением по капиллярным каналам между срастающимися кристаллами, частично разрушает их, лучше заполняет усадочные поры и, кроме того, оказывает известное механическое уплотнение. Характерно, что устранение усадочной пористости в тонкостенных отливках путем повышения температуры сплава находится в некотором противоречии с общепринятым понятием, при котором этот дефект обычно устранялся путем понижения температуры сплава, а также повышением теплопроводности соответствующего участка формы.
Необходимо также учесть следующее обстоятельство. Если утолщенный участок отливки имеет размер свыше 3 — 5 толщин прилегающих к нему участков, то мероприятие с повышением температуры сплава может вызвать обратный результат, т.е. активизировать пористость. В этом случае следует идти по пути применения холодильников, если формообразование внутренней поверхности в отливке производится с применением песчаных стержней. Если отливаемая деталь имеет ребра жесткости, как это показано на фиг. 19, то металлическую матрицу следует конструировать таким образом, чтобы против ребра на будущей отливке располагалось теплоотводпое ребро матрицы. Если это по каким-либо соображениям сделать невозможно, то выравнивание скорости кристаллизации достигается изменением толщины слоя теплоизоляционного покрытия с применением трафарета, вырезанного из тонкого металлического листа. При окраске трафарет прилегает к рабочей поверхности матриц и закрывает те ее участки, которые соответствуют местным утолщениям, образуемым ребрами на будущей отливке.
Нередки случаи, когда применение холодильников не является решающим мероприятием при устранении усадочных недостатков в массивных сечениях отливки, расположенных в средней по высоте зоне. Радикальным технологическим приемом будет выполнение глухих прибылей, примыкающих к питаемому сечению, как это показано на фиг. 19. Вставка а, образующая полость прибыли, изготовляется из обычной или термореактивной стержневой смеси и устанавливается в стержневой ящик в процессе формовки стержня. Правильное положение вставки обеспечивается тем, что в стержневом ящике выполняется бобышка — точная копия отливаемой, на которую при формовке и надевается сухая вставка. Действие такой прибыли очень эффективно при условии, если объем ее в 2—3 раза превышает объем питаемого сечения. Однако удаление прибыли из труднодоступных полостей отливки связано с известными затруднениями и часто производится при механической обработке отливок.
Если применяются оболочковые стержни, то в стержневом ящике следует предусмотреть выступ, формующий в стержне углубление для последующей установки сухой вставки. С применением закрытых прибылей холодильники обычно не требуются, что в известной степени способствует снижению брака по вскиповым раковинам. Практикуемая в отдельных случаях разрядка массивных сечений, в частности бобышек, путем заливки в них металлических стерженьков не оправдывает себя, так как, несмотря на тщательную обработку поверхности стерженька, очень часто наблюдаются вскиповые раковины как результат испарения влаги, конденсируемой на его поверхности.