Литье. исправлено (Лекции по литью), страница 5

Эффективный радиус действия прибыли зависит от ее расположения и конфигурации отливки. Например, радиус действия прибыли, установленной на горизонтальной площадке меньше, чем на вертикальной. Поэтому, особенно для сплавов склонных к усадке, необходимо обеспечить выгодное сочетание температурного и силовых полей. Для этого отливку заливают в наклонном положении, причем часть отливки, на которой расположена прибыль, находится внизу. Этим создается значительная разница температур в удаленных и прилегающих к прибыли частях, то есть создается выгодное температурное поле. После заливки форму поворачивают, так, чтобы прилегающая прибыль была на самом верху, чем достигается дополнительное давление, то есть выгодное силовое поле. (См. рис. 15).

Рис.15. Схематическое изображение поворотов формы до и после заливки.

По конфигурации отливки бывают с плавно изменяющейся толщиной стенки и с резко изменяющейся толщиной стенки. Примеры первых отливок приведены на рис. 17. В наиболее широкое место каждой из них можно вписать только один шар наибольшего диаметра. Эти участки называют термическими узлами; они дольше остаются горячими и дольше затвердевают. Стенки с термическими узлами характеризуются приведенной толщиной – отношением D_max /D_min. Термические узлы в горизонтальной и вертикальной (б) отливках могут питаться помещенными на них прибылями. Термический узел (рис. 16) удален от прибыли. Отливка между прибылью и удаленным от нее узлом затвердевает раньше, чем узел. Затвердевание будет отрицательно направленным, поэтому в таких отливках образуются усадочные раковины.

Нет рис 16

Рис. 17 Отливки с плавно изменяющейся толщиной стенки.

Отливки с резко изменяющейся толщиной стенки характеризуются тем же отношением D_max /D_min. Питание от прибыли толстой части зависит от подвода жидкого металла и расположения прибыли. На рис. 18 а, в прибыль прилегающая и поэтому наиболее эффективна, на рис. 18 б – полуприлегающая. На рис. 18 г узел находится в таком положении, что его нельзя питать из прибыли и в нем создается местное отрицательно направленное затвердевание.

Рис. 18. Отливки с резко изменяющейся толщиной стенки.

При изготовлении сложных отливок с несколькими тепловыми узлами одна прибыль (рис. 19) не устраняет усадочную раковину, а две увеличивают расход металла. Если термический узел непроточной то есть при заливке сплав практически через него не протекает, и если он в то же время удален от прибыли, то есть не питается, то его можно обезвредить, захолаживая отливку снаружи холодильником из хорошо проводящего тепло материала. В этом случае узел затвердевает раньше, чем питающая стенка и он называется переохлажденным узлом. При этом не имеет смысла увеличивать толщину холодильника свыше 2/3 толщины охлаждаемого узла. Толщина затвердевающего слоя во времени увеличивается по параболе, в связи с чем и действие холодильника по направлению внутрь ослабевает тем более, чем больше захолаживаемый узел. При одинаковой приведенной толщине малый узел можно переохладить извне, тогда как большой - невозможно даже при массивном холодильнике.

Рис. 19. Питание отливки с изолированным термическим узлом.

Большой непроточный узел, не имеющий под собой прибыли, нельзя переохладить извне. Однако его можно обезвредить установкой внутреннего холодильника (рис. 20), изготавливаемого из материала отливки или из другого материала.

Рис. 20. Захолаживание термического узла внутренним холодильником.

Если прибыль не питает узел и в то же время он проточной, его не удается обезвредить ни наружным, ни внутренним захолаживанием. Остается только изменить технологический процесс или конструкцию отливки делением ее на части по линии А-А (рис. 21) или технологическим припуском.

Рис. 21. Местный проточный термический узел.

Сложная отливка содержит несколько узлов. Так, например, отливка на рис. 22 имеет три кольцевых узла M, N, O. Питание подведено в узел О, на котором еще есть ряд угловых узлов в местах сопряжения ребер 2. Узел М прилегает к прибыли и удален от подвода питания. Рассмотрим узлы по возможности их обезвреживания. Узел О не питается прибылью и так как он проточной его нельзя захолодить. Узел одновременно и проточной и сквозной, его нельзя надежно обезвредить захолаживанием. Узел М питается прибылью. Так как узлы О и N остаются без питания, то необходимо при данном подводе питания скорректировать сечение отливки. Вписывают в узел О наибольший шар и катят его по внутреннему контуру отливки до узла N. При этом придется несколько расширить сечение (указано штриховкой). Наибольший шар, вписанный теперь в узел N нужно теперь катить до узла М. Стенка между узлами N и М увеличивается (показано штриховкой). Это решение требует больших литейных припусков. Чтобы не увеличивать чрезмерно расход сплава достаточно усилить стенки только в местах расположения ребер.

Рис. 22. Обезвреживание термических узлов у сложной отливки

.

6.Газы

В металлах и сплавах газообразные элементы могут присутствовать в следующих видах:

1. газовых включений (раковин и сферических пузырей) - механическая смесь металла и газа;

2. твердых химических соединений с элементами, входящими в состав сплава (окислов, гибритов и т.д.)

3. Жидких и твердых растворов, в этом случае атомы газообразных элементов могут располагаться между атомами основного металла или внедриться в его кристаллическую решетку;

4. тонких слоев: адсорбированных на поверхности металла или сплава, например адсорбция может происходить на поверхности графитовых включений, расположенных в толще металлической матрицы.

Растворимость газов в металлах и сплавах в значительной степени зависит от вида и свойства газа, природы растворителя, температуры и давления. Из свойств газов на его растворимость большое влияние оказывает молекулярное и атомное строение. В обычных жидкостях повышение температуры уменьшает растворимость газов. В жидких металлах и сплавах растворимость газов с повышением температуры может увеличиваться.

Процесс растворения газов в металлах и сплавах начинается с адсорбции, которая обычно вызывает понижение поверхностного натяжения на границе раздела жидкость-газ.

Поверхностная физическая адсорбция является первоначальной стадией сорбционных процессов для большинства случаев взаимодействия жидкость- газ.

С повышением температуры сплава получает развитие процесс активизированной адсорбции, являющейся предварительной стадией диффузии газов в металл. Этот вид адсорбции, характерный для большинства систем металл-газ, отличается от обычной увеличением количества адсорбированного газа на поверхности адсорбента с повышением температуры.

Теплота активизированной адсорбции значительно превышает соответствующие величины физической адсорбции и приближается к величинам теплоты химических реакций. В процессе активированной адсорбции молекулы адсорбируемого газа на поверхности адсорбента диссоциируют и могут вступать с ним в химическое взаимодействие. Большое развитие получают процессы активированной адсорбции в системах металл- водород.

Газы, адсорбируемые поверхностью металла, в атомарном состоянии – диффундируют в металл. Процесс диффузии регулируется температурой, давлением и адсорбцией, величина которой, в свою очередь, зависит от состояния поверхности и структуры металла- адсорбента. Чем больше активная поверхность адсорбента, тем большим будет и количество диффундируемого газа.

Получение отливок без газовых раковин и пористости является одной из самых трудных задач литейного производства. Поэтому важно знать особенности не только растворения газов в металле, но и обратно процесса - их удаления.

Меры, обеспечивающие минимальное содержание газов и предупреждение образования газовых раковин и пористости в отливках, можно разделить на три группы:

1. дегазация исходных шихтовых материалов;

2. дегазация жидкого металла перед заливкой в форму;

3. предупреждение выделения газов из раствора в процессе кристаллизации металла в форме.

Так как первые два метода характерны для всех способов литья и не зависят от конструктора детали, то остановимся только на последнем мероприятии. К ним относятся: кристаллизация под давлением и литье под давлением с подпрессовкой.

Метод кристаллизации под давлением основан на том, что при повышенном давлении (4-5 атм.), создаваемом над кристаллизующимся в форме сплавом, в растворенном состоянии в металле может остаться больше газов, чем при атмосферном давлении. Поэтому над формами после заливки в автоклаве создают повышенное давление, поддерживаемое до окончания затвердевания.

Аналогично по воздействию на затвердевающий металл и давление подпрессовки при литье под давлением. Подобно высокому давлению при кристаллизации действует ускоренное охлаждение. Задержать газовыделение из раствора до перехода в твердое состояние и предупредить образование газовых раковин в отливках может и повышенная скорость охлаждения. Кроме того, повышенная скорость охлаждения является благоприятной еще и потому, что обеспечивает большой температурный градиент по сечению отливки в период кристаллизации. Это уменьшает слой, в котором протекает кристаллизация в данный момент. Поэтому газы, успевшие выделиться из раствора, могут легче и быстрее удалиться через еще жидкий сплав.

7.Неметаллические включения

В затвердевшем сплаве (окислы, нитриды и др.) являются телами, нарушающими сплошность и единообразие его структуры. Твердые неметаллические включения часто имеют острые углы и края, в которых образуются значительные концентрации напряжений. Тугоплавкие для данного сплава включения, температура плавления которых превышает температуру плавления данного сплава, обычно располагается внутри кристаллов. Легкоплавкие включения входят в электрические «сетки» и располагаются по границам зерен, часто вызывая хрупкость или красноломкость. Неметаллические включения могут неблагоприятно сказаться и на процессах вторичной кристаллизации.

Некоторые включения могут понижать химическую стойкость сплавов, так как они образуют с основным металлом сплава коррозионные гальванические пары, способствующие развитию электрохимических процессов коррозии.

8.Ликвация(от позднелатинского –отделение)

В процессе затвердевания реальной отливки содержащаяся внутри отливки жидкость находится в непрерывном движении. В центральной зоне отливки происходит конвективное перемещение сплава. Кроме того внутри переходной зоны жидкость циркулирует между растущими кристаллами. Однако в большинстве отливок наблюдается химическая неоднородность сплава в виде зональной ликвации отдельных элементов. Обычно, ликвируют элементы, растворимость которых в первоначально образующихся твердых кристаллах относительно мала. Например, медь неравномерно распределяется по сечению отливки из алюминиево-медного сплава. При выделении кристаллов с пониженным содержанием ликвирующего элемента, этот элемент скапливается в жидкости, окружающий кристалл. Возникает значительная разница в концентрации элемента внутри жидкости переходной и в составе маточного раствора в центре отливки. Под действием градиента концентрации в жидком сплаве происходит диффузия элемента к центру отливки, что вызывает развитие зональной ликвации.

Характер ликвации зависит от скорости охлаждения отливки. Очевидно, что большая скорость охлаждения приводит к получению отливки с лучшими механическими свойствами. Поэтому конструктор должен помнить, что при использовании для изготовления изделия сплава склонного к ликвации, при выборе способа литья следует отдавать предпочтение процессу с быстрым охлаждением. Например, при литье под давлением ясно выраженная зональная ликвация не успевает развиваться. Дендритная же ликвация не оказывает существенного влияния на качество отливок.

9.Напряжения в отливках и их последствия

Каждой температуре соответствует вполне определенный удельный объем данного сплава во всех агрегатных состояниях. С изменением температуры изменяется удельный объем сплава- сплав претерпевает расширение или сужение. Свободное расширение сплава всегда отличается от расширения этого сплава в отливке, потому что при расширении (сжатии) отливки всегда возникает торможение, препятствующее расширению (сжатию).

Встречаются три основных механизма торможения: механическое торможение усадки (рис.23, а), тепловое торможение усадки (рис. 23, б) и комбинированное торможение усадки (рис. 23, в) при этом в отливке возникают напряжения. Когда численные значения напряжений превысят предел прочности материала отливки, то она разрушается. Нарушение сплошности материала отливки, возникающее при высоких температурах, называются горячими трещинами, а при комнатной или несколько более высокой температурах холодными трещинами. Часто отливки не разрушаются, но в них остаются внутренние напряжения, которые изменяются в процессе хранения, эксплуатации, что приводит к короблению отливок и изменению их размеров. Особенно заметно изменение размеров после механической обработки отливок.