Ваш браузер устарел. Рекомендуем обновить его до последней версии.

Литейка.ру - самая литейная компания. Чугунное литьё на заказ

Взаимодействие литейной формы с расплавом

 

Качество получения отливки определяется, прежде всего, отсутствием брака, т.к. даже незначительный дефект в теле отливки может привести к трагедии. В рамках данной статьи мы рассмотрим ряд дефектов, причиной образование которых является литейная форма.

Газовые раковины

Газовые раковины — это пустоты в теле отливки, которые значительно ухудшают механические и эксплуатационные качества отливок. Раковины образуются прежде всего по причине  избытка газов в металле. Это обычно происходит из-за неспособности литейной формы "выпустить" газ наружу. Поэтому формовочную смесь подбирают исходя из её способности пропускать газы - газопроницаемости.

Существует два метода определения газопроницаемости смеси: нормальный и ускоренный.

Нормальный метод

 Через стандартный образец диаметром и высотой 50 мм пропускают 2000 см3 воздуха нормальной температуры, при этом фиксируют давление воздуха перед образцом и время τ прохождения всего объема воздуха.

Газопроницаемость

K= V⋅h / F ⋅ p ⋅τ

где V – объем воздуха, прошедшего через образец, см3

h – высота образца, см

F – площадь поперечного сечения образца, см2

p – давление воздуха перед образцом, г/см2

τ – время прохождения через образец данного объема воздуха, мин.

Газопроницаемость смеси ускоренным методом определяют на специальном приборе (Рис.1).

Рис. 1 - прибор для измерения газопроницаемости

 

 Навеска смеси (170 г) уплотняется в гильзе диаметром 50 мм до такой же высоты с помощью специального копра (Рис.2).

КопрКопр

Рис. 2 - Копр

 

В основной трубопровод прибора на входе в гильзу со смесью вмонтировано дополнительное сопротивление в виде ниппеля (0,5 или 1,5 мм в диаметре). Воздух проходит в цилиндр под образцом испытуемой смеси и в трубку манометра. Если смесь в цилиндре будет хорошо пропускать воздух, то манометр покажет малое давление. На приборе по круговой шкале (диаметр отверстия 1,5 мм) непосредственно указывается величина газопроницаемости.

Также, для удаления газов в литейной форме проделывают специальные полости-выпора. Их количество и конструкция зависят от интенсивности газовыделений.

 

Проникновение газов из формы в металл


 

 Источниками газов, выделяющихся из формы в момент заливки и при дальнейшем охлаждении отливки, могут быть:

1) воздух, заполняющий поры в форме и расширяющийся при нагреве;

2) влага, находящаяся в формовочной смеси и испаряющаяся особенно при заливке по-сырому;

3) органические примеси, случайно попавшие в смесь или введенные в виде

добавок (угля, связующих);

4) воздух, вытесняемый струей металла при заливке;

5) химические реакции на поверхности раздела металл—форма.

Выделяющиеся из формы пары и газы создают на поверхности соприкосновения формы и металла повышенное давление. Если сопротивление формовочной смеси движению газов от поверхности раздела металл—форма в глубь формы будет больше сопротивления проникновению газов в жидкий металл, то создаются условия для образования газовых раковин в отливке.

Проникновение пузырьков газа в отливку прекращается в момент образования достаточно прочной затвердевшей корки металла на поверхности отливки. Такая корка быстро образуется при изготовлении отливок из чистых и эвтектических сплавов с узким интервалом кристаллизации. Причиной образования в отливках из этих сплавов газовых раковин чаще всего бывают пузырьки газа, образующиеся в момент после начала заливки. В отливках из широкоинтервальных сплавов, затвердевающих с большой двухфазной зоной (твердожидкой), пузырьки газа при всплытии испытывают дополнительное сопротивление растущих кристаллов, а сплошная корка твердого металла в этом случае образуется на поверхности формы позже. Следовательно, при литье широкоинтервальных сплавов опасность появления раковин и пор от сопротивления растущих кристаллов больше.

 

Тепловое воздействие металла на форму


 

При заливке жидкого металла литейная форма нагревается. В результате физико-химических процессов,протекающих  на поверхности контакта металла и формы образуется пригар.

Пригар — трудноотделимый от поверхности отливки слой из металла, его оксидов и частиц формовочной смеси.

Пригар ухудшает поверхность отливки, увеличивает трудоемкость ее очистки и резко снижает стойкость инструмента при обработке ре­занием.

Различают два вида прига­ра —химический и ме­ханический.

Пожалуй главным критерием взаимодействия формы и отливки является коэффициент тепловой аккумуляции формы bф.  

На практике его стараются уменьшить. Всё дело в том, что, если коэффициент теплоаккумуляции будет велик, то литейные формы будут долго остывать, следовательно заметно уменьшится производительность цеха.

В рамках курса "Теории формирования отливок" предлагается разделить все литейные формы на прогреваемые (у которых температура на внешней границе не изменяется)  и нагреваемые. К прогреваемым относят песчаные формы и керамические формы, к нагреваемым - кокиль и пресс-формы.

Рассмотрим прогреваемые литейные формы. По сечению отливки и песчаной формы установлены термопары, которые регистрируют изменение температуры по сечению отливки и формы. Результат эксперимента представлен на рис.3.

 

Результат экспериментаРезультат эксперимента

Рис. 3 - Результат эксперимента

 

Из Рис.3 можно заметить, что перепад температуры по сечению отливок мал, по сравнению с изменением температуры в песчаной форме. Это означает, что процесс затвердевания отливки можно с помощью упрощённой математической модели:

 

 

с - удельная теплоёмкость;

ρ - плотность жидкого расплава;

R - приведённый размер;

 

dT/dt - скорость изменения температуры;

q - плотность теплового потока.

 

Для прогреваемой формы q:

 

 

t - продолжительность процесса (снятия перегрева, затвердевание и т.д.);

Tотл - температура отливки; 

Tф - температура формы;

 

Для нагреваемой формы q: 

 

 

β - коэффициент активности кокильной краски или смазки для пресс-формы.

 

 

Запишем математическую модель согласно рисунку 4.

 

Схема для математической модели, описывающей снятия перегрева Схема для математической модели, описывающей снятия перегрева

Рис. 4 - Схема для математической модели, описывающей снятия перегрева 

 

Запишем дифференциальное уравнение Фурье для промежутка времени, который соответствует времени снятия перегрева (T1, TL):

Произведём преобразования:

Проинтегрируем левую часть от T до Tзал. (для случая снятия перегрева), а правую часть от t1 до tц   (снятие перегрева перегрева происходит от момента t1=0, в данном случае рассматривается общий случай). Здесь tц - время  снятия перегрева, а не всего процесса!

Проинтегрировав выражение получим:  

Выразим tц:

 

При t1=0, получим продолжительность времени, в течение которого происходит снятие перегрева расплава:

Для справки приведём формулу, для расчёта продолжительности цикла отливки до выбивки. Т.е. спустя это время необходимо выбить отливку из формы: