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).
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.
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.
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 TL 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:
