Под качеством отливки понимается точность размеров, шероховатость поверхности, физико-химические свойства, герметичность и пористость. Операции заливки и охлаждения формы оказывают основное влияние на формирование качества отливок независимо от того, каким они способом изготавливаются. Возможность получения доброкачественных тонкостенных отливок, сложных по форме или больших по размерам, без раковин, трещин пригара и других литейных эффектов предопределяется качеством и свойствами формы (теплопроводностью) и литейными свойствами сплавов. Влияние этих факторов и проявляется именно при заливке жидкого металла в форму и в процессе ее охлаждения.

Факторы, влияющие на точность размеров отливок.

При литье под давлением к факторам, вызывающим погрешности размеров отливок относят следующие: точность изготовления оформляющей полости пресс-формы; износ поверхностей пресс-формы; колебания усадки сплава; точность перемещения и сопряжения подвижных частей пресс-формы; деформация отливки при ее извлечении из формы.

Конструктор должен помнить, что точность изготовления оформляющей полости зависит от конфигурации отливки. Например, элементы формы образованные плоскостями, цилиндрическими и коническими поверхностями могут быть выполнены по пятому квалитету точности. Размеры, координирующие более сложные геометрические поверхности второго порядка могут быть выполнены по шестому квалитету с применением ручного труда. Очевидно, что это удорожает форму и снижает точность отливки.

Износ поверхности оформляющей полости формы происходит в результате царапания поверхности формы движущимся сплавом, термодинамическим ударом по поверхности при охлаждении отливки, химического взаимодействия сплава и материала формы. Износ выражается в образовании на поверхности формы трещин и сетки разгара. Дефект исправляется зачисткой формы на 0,05-0,1 мм. После нескольких зачисток форму приходится списывать. Здесь также износ формы зависит от конфигурации отливки. Меньше изнашиваются конические внутренние поверхности, любые поверхности с большим уклоном, стержни изнашиваются быстрее, чем полости. Наибольший износ происходит под действием алюминиевых и медных сплавов, наименьший – магниевых.

Колебания усадки сплава зависят от совокупности таких факторов, как стабильность технологического процесса, типа сплава, толщины стенок отливки, места подвода питателей, Конструкция детали определяет два вида усадки: затрудненную – для внутренних полостей и отверстий детали и свободную – для наружных поверхностей детали.

Все названные факторы являются случайными, приводят к рассеиванию размеров отливки и влияние их на точность очень трудно учитывать.

Для практических целей конструктору можно рекомендовать средние величины расчетных коэффициентов усадки (таб.23), разбив все отливки на две группы: с толщиной стенки до 3 мм и свыше 3 мм.

Таблица 23. Расчетные коэффициенты усадки.

Точность перемещения и сопряжения подвижных частей пресс-формы влияет на точность отливок, которые из-за сложности конфигурации располагаются в обеих полуформах. Наибольшую точность размеров можно получить, если они оформляются одной частью формы и не зависят от плоскости разъема.

Деформация отливки при извлечении из пресс-формы зависит от конфигурации самой детали (отливки) и во многом определяется правильно выбранными уклонами и конусностью. В тонкостенных отливках конструктор должен предусматривать утолщения, на которые будут давить толкатели.

12. Усадка ее влияние на конструкцию и качество отливки

Усадка является важнейшим литейным свойством металлов. Как известно, при нагревании тела расширяются, а при охлаждении сжимаются, дают усадку. При охлаждении отливки начального объема V₀ или начальной длины l₀ с температуры t₀ до t изменение объема и длины тела определяется по формулам:

V=_v(t-t₀) L=_l(t-t₀)

Коэффициентами _v и _l при охлаждении являются истинными коэффициентами объемного _v и линейного сжатия _l , то есть коэффициентами соответствующей усадки при понижении температуры на 1 в интервале t-t₀ . В практике под величиной усадки К принимаются относительные величины, выражающиеся изменение объема или длины при охлаждении в процентах:

К= (L-L₀)/L₀ *100%

L и L₀- длины отливки при температурах t и t_-0 соответственно. Необходимо различать три вида усадки: 1) Усадка жидкого металла, происходящая при охлаждении от температуры заливки до температуры ликвидуса (усадка жидкой фазы); 2) Усадка при затвердевании, когда отливка охлаждается от ликвидуса до солидуса (усадка при изменении агрегатного состояния); 3) Усадка твердого металла, образующая при охлаждении твердого металла от солидуса при комнатной температуры (усадка затвердевающего сплава). Каждый из этих видов усадки является определяющим в образовании тех или иных пороков в отливке.

Точность размеров. Зависит от точности формы, величины усадки сплава и конфигурации отливки. Материал влияет на точность отливок в основном через усадку. Чем меньше усадка сплава, тем меньше ее влияние на точность размеров детали. Подробно формирование точности размеров будет рассмотрено ниже.

14. Одновременное и направленное затвердевания.

Понятие об одновременном и направленном затвердиваниях. Усадочные раковины и пористость- это распространенный и трудноисправимый брак отливок. Только совместными усилиями конструктора детали и технолога- литейщика можно уменьшить или совсем устранить этот дефект. К сожалению, рассеянную пористость устранить без остатка не удается, ее можно лишь уменьшить различными способами, помня, что:

1. Рассеянная пористость бывает тем больше, чем шире двухфазная зона у затвердевающего сплава. Поэтому все средства уменьшения двухфазной зоны одновременно приводят к ограничению рассеянной пористости.;

2. Чем выше давление, под которым расплав перемещается через двухфазную зону к затвердевающим местам, тем меньше рассеянная пористость.

Для получения отливки без сконцентрированных в одном месте усадочных раковин необходимо, чтобы она затвердевала по одному из принципов: 1) одновременного затвердевания; 2) направленного затвердевания.

Одновременное затвердевание – одновременная и равномерная кристаллизация расплава во всех частях отливки. Одновременное затвердевание обеспечивается определенными условиями. Условия эти можно считать приблизительно выполненными, когда толщина стенок во всех частях отливки приблизительно одинакова, температура и теплопроводность формы во всех ее точках не изменяются или изменяются равномерно и одновременно. Следует заметить, что одновременное затвердевание металла по всей отливке не может быть полностью осуществлено; в действительности кристаллизация протекает постепенно, от поверхности к оси стенки отливки. Поэтому, чем меньше толщина стенки отливки, тем лучше реализуется принцип одновременного затвердевания. И не случайно, что одновременное затвердевание находит применение для тонкостенных отливок таких, как корпуса фотоаппаратов, кинокамер биноклей, труб и других деталей. Однако усадка существует и в тонкостенных отливках. Ее действие проявляется в том, что вблизи геометрической оси стенки отливки располагается усадочная пористость. Опыты показали, что усадочная пористость, если она находится вблизи стенки отливки, опасна только тогда, когда отливка подвергается воздействию наружного или внутреннего давления, переменным нагрузкам, воздействию высоких температур. В сечениях, же подвергающихся изгибу, из-за небольших напряжений в волокнах, находящихся около нейтральной оси, внутренняя пористость вызывает лишь незначительные ослабления сечения.

При направленном затвердевании кристаллизация отливки происходит последовательно в направлении от наиболее удаленных ее частей к источнику питания жидким сплавом, например, к прибыли. Сущность направленного затвердевания рассмотрим на примере формирования плоской вертикально расположенной в форме плиты с прибылью. Металл в форму подводится под прибыль. При этом в момент окончания заливки наиболее холодный металл будет в нижней части формы, а наиболее горячий- в прибыли. Это происходит потому, что при подводе сплава под прибыль первые его порции попадают в нижнюю часть отливки, где сразу же начинают охлаждаться, соприкасаясь с холодной формой. Прибыль же будет заполнена последними порциями сплава, температура которого приблизительна равна температуре заливки. Распределение температур по оси отливки по всей ее длине к моменту окончания заполнения характеризует кривая 1. В соответствии с этим распределением затвердевание отливки от боковых стенок начнется раньше в нижней и позже в верхней части. Кривые 2, 3 и 4 соответствуют II-у ,III-у и IV-у этапам затвердевания, которое идет вверх, то есть в направлении к прибыли (рис. 14). Такое затвердевание и называют направленным. При направленном затвердевании отливка получается плотной, без концентрированных раковин, которые вводятся в прибыль.

Рис. 14 Схема направленного затвердевания отливки типа плиты (I-IV – этапы затвердевания, 1-4 соответствующие им кривые распределения температуры по длине отливки).

16. Кристаллизация и образование структуры отливки.

Кристаллизация

Когда температура расплава снижается при данном давлении ниже температуры начала затвердевания, сплав изменяют агрегатное состояние. Такое изменение агрегатного состояния называют первичной кристаллизацией или затвердеванием. Хотя оба термина имеют довольно сходное содержание, они отражают различие в характере процесса: под первичной кристаллизацией понимается образование из расплава отдельных кристаллов и кристаллических зон в отливке, имеющих определенное строение, которое влияет на свойства литых изделий. Затвердевание же подразумевает увеличение количества твердой и уменьшение жидкой фазы в разных частях отливки независимо от характера образующихся первичных кристаллов. Первичная кристаллизация имеет для отливок гораздо большее значение, так как от нее зависит и вторичная, поэтому первичную кристаллизацию можно считать и решающим фактором, определяющим механические свойства отливок. Дефекты, возникающие при первичной кристаллизации, нельзя исправить термообработкой, и они проявляются в местных ухудшениях таких свойств отливки как: прочность, удлинение, сужение, ударная вязкость, изноустойчивость. В связи с этим возникает необходимость в управлении процессом первичной кристаллизации. Для этого надо уметь управлять строением отдельных кристаллов и кристаллических зон. Несмотря на многие попытки, эта проблема окончательно не решена. Ведь действительная прочность металлических материалов составляет только долю теоретической прочности, которая определяется межатомными силами. Такое различие вызывается субмикроспическими и иными дефектами как внутри кристаллов, так и на их границах. В лабораториях выращены бездефектные кристаллы железа с пределом прочности при растяжении более 1000 кгс/мм² (прочность углеродистой стали 40 кгс/мм²). Попытки повысить механические свойства путем создания отливки монокристалла не оправданы. Приходится идти обратным путем- так влиять на первичную кристаллизацию, чтобы получить множество мелких кристаллов, что также позволяет достигнуть высоких механических свойств. Чтобы иметь возможность влиять на процесс первичной кристаллизации, надо знать основные закономерности кристаллизации. На процесс кристаллизации оказывает влияние не только технолог–литейщик, но и в значительной мере конструктор, создающий деталь. Для образования кристалла из расплава требуется зародыш, или центр кристаллизации. Зародыши кристаллизации могут иметь различное происхождение. Одни зародыши образуются самопроизвольно в переохлажденном расплаве при быстром охлаждении, другие, несамопроизвольные зародыши, могут быть продуктами реакций металлургического процесса или попасть в расплав извне, например из футеровки (обкладки) плавильной плечи или ковша. Из зародыша кристаллизации при благоприятных условиях, а именно, если охлаждение, зародыша продолжается, может вырасти первичный кристалл определенных форм и размера. Форма и внутренне строение первичного кристалла зависят от того, с какой скоростью идет охлаждение, каково поверхностное натяжение на границе между твердой и жидкими фазами сплава, и наконец, от числа активных зародышей в единице объема расплава (чем их больше, тем мельче будут кристаллы, и наоборот). Внутренне строение и форма первичного кристалла обуславливается соотношением интенсивности теплового потока и величиной поверхностного натяжения между твердой и жидкими фазами. Если поверхностное натяжение велико, а тепловой поток слаб, образуются кристаллы с грубым внутренним строением (глобулиты) с незначительным разветвлением осей. Такие кристаллы растут одинаково быстро от граней, ребер и вершин зародыша (рис. 10). При меньшем поверхностном натяжении и увеличении теплового потока из зародыша получается древовидное образование, так называемый дендрит, на котором в дальнейшем затвердевает расплав. Пока отношение между поверхностным натяжением и скоростью охлаждения не достигнет нужного значения, дендрит растет приблизительно одинаково во всех направлениях. Образуется так называемый равноосный первичный дендрит или первичный кристалл. Его внутреннее строение мельче и сложней чем у глобулита (см. рис. 10). Чем более интенсивен тепловой поток (больше скорость охлаждения) при том же или меньшем поверхностном натяжении, тем мельче и сложнее поверхностное натяжение кристалла. В этом случае при значительном увеличении скорости охлаждения при направленности теплового потока уже будут получаться кристаллы не равноосные, а вытянутые в направлении наибольшего теплового потока. Такие кристаллы имеют вид столбиков, почему и называются столбчатыми. Их внутреннее дендритное строение еще мельче и сложней, чем у равноосных кристаллов (рис. 10). При дальнейшем увеличении скорости охлаждения получается структура, называемая литейной коркой состоящая из многочисленных мелких кристалликов с дисперсным внутренним строением. Химический состав корки в разных местах почти одинаков. Вследствие указанных обстоятельств литейная корка имеет превосходные механические и другие свойства. Идеалом было бы достигнуть по всему сечению отливки такой структуры, какую имеет литейная корка, т.е. состоящей из мелких кристаллов с весьма тонким внутренним строением. Чтобы получить кристаллики с тонким строением и при том мелкие, надо расплав наряду с быстрым охлаждением либо модифицировать (модифицирование введение в расплав веществ, обычно в малых количествах, которые способствуют кристаллизации структурных составляющих в измельченной форме), чтобы увеличить число зародышей, либо подвергнуть внешнему силовому воздействию в процессе кристаллизации, чтобы разрушить образовавшиеся кристаллические скелеты и получить мелкие обломки. Так как силовое воздействие на песчаную форму не возможно, то на расплав воздействуют в процессе заполнения формы, осуществляя залитие через вибрирующую воронку. При литье под давлением силовое воздействие на сплав оказывается непосредственно в форме. По окончании заливки расплав в форме становится относительно спокойным. Кристаллизация отливок происходит в разных условиях, зависящих от различных факторов. Рассмотрим некоторые из них.