2.5. Заливка форм
Разливные ковши в зависимости от литейного сплава, смеси отливок и условий заливки имеют различную конструкцию и емкость. Сплав перед заливкой в форму некоторое время выдерживают в ковше для выделения газов, всплывания шлака и неметаллических включений. Заливку производят, не прерывая струи, литниковая чаша должна поддерживаться полной. При перерывах струи расплав поступает в полость формы отдельными порциями, может охладиться и отслоиться, тогда в отливках образуются дефекты – спаи. Струя при разливе не должна размывать формовочную смесь, шлак не должен попадать в форму.
2.6. Физическая сущность литейного процесса и его влияние на качество отливок
Чрезвычайно затрудняет получение точных и высококачественных отливок процесс усадки. В процессе затвердевания отливки внутри формы могут образоваться раковины, пористости, трещины, так называемые усадочные пороки. Их возникновение связано с неодновременным затвердеванием металла в объеме отливки. Отдавая тепло окружающей среде, отливка начинает охлаждаться и затвердевать с поверхности, в то время как сердцевина остается жидкой. При дальнейшем охлаждении и затвердевании сердцевина претерпевает меньшее относительно сжатие, чем ранее затвердевшая корка. Вследствие этого сплошность металла нарушается, внутри отливки образуются вакуумные пустоты – усадочные раковины. В слитках усадка металла вызывает образование воронкообразной внешней усадочной раковины. Величина, форма и расположение усадочных раковин определяется природными свойствами сплава и рядом других факторов.
Размеры и форма отливки оказывают влияние как на величину, так и на расположение раковин в отливке. Теоретическая величина раковины оказывается пропорциональной объему отливки. Поэтому мелкие отливки в значительно меньшей степени склонны к образованию усадочных пороков.
Если радиус кривизны вогнутой стенки мал, то вследствие нагрева стержня теплообмен с внутренней стороны может совсем прекратиться. Тогда внутренняя поверхность отливки затвердеет последней и на ней образуется открытая усадочная раковина.
Для борьбы с усадочными пороками в отливках применяют питание за счет металла литниковой системы (рис.14).
Возможность образования различных структур в зависимости от затвердевания наблюдается у многих сплавов. Наиболее характерным из них является чугун. Величина и расположение усадочных пороков здесь в большой степени зависит от структурного состояния углерода. В структуре отливки из серого чугуна объем усадочных пустот тем меньше, чем полнее пройдет графитизация углерода (так как удельный объем цементита меньше, чем объем составляющих его элементов Fe и С). По этой причине белый чугун имеет большую усадку, чем серый.
Сильным средством регулирования процесса затвердевания служит целесообразный выбор места подачи металла к отливке.
Подвод в тонкую часть применяют для отливок из серого чугуна, который в меньшей степени склонен к образованию усадочных раковин и поэтому не нуждается в сильных средствах питания. Такие отливки имеют минимальные внутренние напряжения и, как правило, используются без термообработки. В этом случае они имеют однородную структуру, так как возможность образования различных структур минимальна.
Для отливок из ковкого чугуна и стали, весьма склонных к образованию усадочных пороков, оптимальным является подвод металла в толстую часть. Образующиеся при этом внутренние напряжения снимаются при обязательном высокотемпературном отжиге.
Плотность сплава оказывает значительное влияние на процесс формирования отливки. Чем больше плотность, тем больше будет гидростатическое давление в незатвердевшей части отливки, способствующее проникновению жидкости в жидкокристаллические поры. В связи с этим количество и объем пор (в особенности в нижней части отливки) уменьшаются за счет увеличения концентрированной раковины. Разница температур способствует возникновению внутри отливки конвективных потоков, сосредотачивающих наиболее горячий (и легкий) металл в верхней части отливки, благодаря чему и усадочные раковины смещаются в эту часть.
Атмосферное давление играет значительную роль в формировании усадочных пороков. Воздействуя на затвердевающую отливку с развивающимися в ней вакуумными пустотами, атмосферное давление может вызвать перемещение жидкости внутри затвердевшей корки и деформировать ее, а также давить на гибкое ядро через свободные пустоты чаши и прибылей.
С затвердеванием этих поверхностей атмосферное давление деформирует только что затвердевшую корку. Если под коркой образуется усадочная пустота, то атмосферное давление часто прорывает корку и вновь вступает в контакт с жидкостью, способствуя уплотнению отливки.
В тех случаях, когда на каком-либо участке поверхности отливки корка оказывается более слабой, чем в чаше стока, атмосферное давление деформирует отливку в этом месте, оставляя на ее поверхности вмятину – так называемую утяжку. Утяжки образуются при преждевременном затвердевании питателей и в тех случаях, когда какая-либо часть затвердевающей отливки оказывается отключенной от литниковой системы и прибылей соседними, ранее затвердевшими участками. Утяжка считается дефектом литья.
Газы, растворенные в металле во время плавки, в процессе охлаждения выделяются из раствора и оказывают влияние на формирование усадочных раковин. Газы в атомарном состоянии выделяются на границах усадочных раковин. Если внутреннее давление достигает суммы атмосферного и давления столба жидкого металла над раковиной, то объем раковин увеличивается и они принимают округлую форму.
Условия охлаждения отливки сказываются прежде всего на характере образующихся усадочных пустот. Чем интенсивнее охлаждается отливка, тем пористость отливки оказывается меньше, а сосредоточенная раковина более развитой, при этом структура материала будет более плотной. С помощью интенсивного охлаждения отдельных частей отливки (более массивных) или дополнительного нагрева более тонких частей отливки можно регулировать процесс затвердевания, перенося усадочную раковину в другое, менее ответственное место или выводя ее в литник или прибыль.