Материаловед

Заполнение литейной формы металлом сопровождается интенсивным взаимодействием расплавленного металла с атмосферой воздуха, с газами, выделяющимися из формы, с огнеупорным материалом формы. В случае неудачной организации заполнения возможно разрушение формы, что отрицательно сказывается на качестве отливки. Металл при заливке охлаждается, теряет жидкотекучесть, что может помешать полному воспроизведению контура формы. Перегрев металла перед заливкой не решает проблемы, поскольку он чреват опасностью окисления, газопоглощения, развития усадочных и других дефектов.

Заливка должна проводиться в определенном температурном интервале и с определенной скоростью. Рассматривая процесс заполнения литейной формы, можно выделить три стадии движения металла: свободное падение струи металла, течение по каналам литниковой системы, движение в полости формы.

Движение открытой струи металла. Свободное падение струи металла происходит при выпуске металла из печи в ковш, из ковша в форму и т. д. При этом открытая со всех сторон струя проделывает определенный путь; от длины этого пути, скорости течения и площади открытой поверхности металла зависит степень окисления. Известно, что свободная струя жидкости на определенном расстоянии начинает разбиваться на капли. Заливка форм такой разбрызгивающейся струей недопустима.

Степень окисления металла зависит также от растворимости его в жидком металле. Так, расплавленная медь сильно окисляется вследствие растворения в ней закиси меди. Если же образуются нерастворимые твердые окислы, велика опасность загрязнения металла неметаллическими включениями. При этом не последнюю роль играет механиче­ская прочность пленок. Как уже говорилось, оксиды магния, например, образуют на металле рыхлые, весьма непрочные оболочки, проницаемые для воздуха, вследствие чего магниевые сплавы при литье легко окисляются. Оксиды алюминия и его сплавов, напротив, образуют плотные пленки на поверхности струи металла. При малой скорости движения металла они не разрушаются, так что струя металла течет в оболочке из пленки оксидов, предохраняющей металл от дальнейшего окисления. Однако прочность этих пленок весьма ограниченна. Достаточно легкого колебания струи, чтобы пленки оборвались и были отнесены вглубь отливки. Тем не менее поверхность струи мгновенно покрывается новой пленкой.

Заливка формы свободно падающей струей металла порождает вихревое движение на дне формы, в которое вовлекаются частички шлака, окислов, пузырьки газов. Кроме того, такой способ заливки сопряжен с опасностью разрушения дна формы.

Движение в литниковой чаше. При попадании струи металла в литниковую чашу ее скоростной напор гасится. Заполнение формы происходит под напором, определяемым уровнем металла в чаше. В литниковой чаше создаются благоприятные условия для удаления шлака (рис. 3.13).

Рис. 3.13. Удаление шлака в литниковой чаше

Постороннее тело, занесенное струей из точки А в точку В, будет находиться под действием двух сил: силы всплывания, направленной вверх, и силы потока, увлекающей постороннее тело по направлению движения. В результате тело переместится в точку С, а в точке С поток снова изменит свое направление, что сопровождается потерей скорости и тело передвигается в точку D.

Уровень металла в чаше поддерживают постоянным от начала до конца заливки.

Движение по стояку. Из чаши металл попадает в стояк. Это вертикальный канал, чаще всего круглого поперечного сечения. Обычно ради удобства формовки стояки делают суженными книзу. Важное значение имеет заполнение стояка. При частичном заполнении стояка линейная скорость вытекания металла мала. В самом стояке возможны насыщение расплава воздухом, разбрызгивание и окисление металла. Если стояк заполнен целиком, металл в нем почти не окисляется. Однако в распределительный канал расплав вытекает с большой линейной скоростью, что вызывает большое перемешивание и окисление металла.

Движение по распределительному каналу. Основное назначение этого канала – задержать частицы шлака, флюса, огнеупора, пленки оксидов и других взвешенных включений, которыми загрязнен расплав. При достаточно малой скорости потока, в силу того, что эти включения легче металла, они постепенно всплывают и скапливаются вверху. В итоге в литники, присоединенные к нижней части распределительного канала, поступает чистый металл.

Площадь поперечного сечения распределительного канала должна быть достаточно большой, для того чтобы обеспечить медленное течение металла, а высоту поперечного сечения выбирают таким образом, чтобы добиться удержания загрязнений.

Для удержания взвешенных частиц в литниковой системе иногда устанавливают фильтрующие элементы.

Движение по литникам. По литникам расплав поступает непосредственно в форму. Линейная скорость движения расплава в литниках, особенно на выходе в полость формы, во избежание разбрызгивания должна быть незначительной. Это условие выполняется, если площадь поперечного сечения литников достаточно велика. Поскольку высота поперечного сечения литника должна быть по возможности небольшой, чтобы предотвратить попадание шлака из распределительного канала в литник, обычно увеличивают поперечный размер. Как правило, литники имеют форму узкой широкой щели. Иногда щелевые литники делают плавно расширяющимися к отливке, что позволяет уменьшить скорость движения металла.

Особое значение имеет выбор места подвода литников к отливке. Наиболее спокойное заполнение формы металлом обеспечивается при подводе литников снизу.

Способ подвода литников оказывает очень большое влияние на характер затвердевания отливки. Через литник протекает весь расплав, заполняющий форму, из-за чего форма около литников разогревается, охлаждение и затвердевание металла в этой области замедляются. Это может послужить причиной развития усадочных пустот в тех зонах отливки, которые затвердевают последними. Заливка металла снизу неблагоприятно сказывается на затвердевании. Последовательное и направленное затвердевание отливки без образования усадочных пустот наиболее легко достигается при заливке сверху. Однако условия заполнения при этом совершенно неудовлетворительны. Вот почему в каждом конкретном случае приходится искать компромиссное решение, такую конструкцию литниковой системы, которая бы позволила удовлетворить первостепенные требования.

Как уже отмечалось, в зависимости от отношения площадей поперечных сечений каналов литниковые системы могут быть сужающимися (запертыми) или расширяющимися (незапертыми).

В сужающихся системах соблюдается условие

где F_cт, F_р.к, F_лит – площади поперечного сечения стояка, распределительного канала и совокупности литников соответственно.

Сужающиеся системы заполняются первыми потоками расплава. В них линейная скорость истечения металла из литников определяется напо­ром, измеряемым разностью высот от уровня в чаше до литников.

В расширяющихся системах соблюдается обратное соотношение площадей поперечных сечений:

Основное достоинство расширяющихся литниковых систем состоит в том, что в первые моменты заливки металл вытекает из литников в полость формы с малой линейной скоростью, определяемой уровнем металла в незаполненном распределительном канале.

Сужающиеся литниковые системы применяют для заливки чугуна, расширяющиеся – для заливки алюминиевых, медных и магниевых сплавов.

Движение металла в полости формы. Заполнение литейной формы организуют так, чтобы в результате движения металла в отливке появились дефекты. Нельзя, например, допускать слива металла с одного уровня на другой, что аналогично заполнению свободной падающей струей. Движение металла отдельными потоками навстречу друг другу может служить причиной спаев на поверхности отливки. Резкие переходы в отливке от одного сечения к другому нарушают спокойное течение металла и приводят к его разбрызгиванию. Нельзя направлять поток металла перпендикулярно к стенке формы, поток может разрушить форму и вызвать различные дефекты отливки (засоры, вздутия и др.).