Изменение агрегатного состояния сплавов в отливках

Из сказанного следует, что надо избегать и общего и местного отрицательно направленных затвердеваний.

Существуют разные степени направленности затвердевания. Граничный случай - одновременное затвердевание, которое протекает так, то двухфазные зоны встречаются по всей тепловой оси (или в определенных стенках) в один момент. На тепловой оси возникает цепочка микроскопических пор, часто практически безвредных.

Радиус действия прибыли у пространственно развитых отливок, особенно затвердевающих в горизонтальном положении, т. е. под малым гидростатическим напором, часто бывает мал для отливки данных размеров. Вследствие этого на отливки с равномерной толщиной стенок ставят больше прибылей (фиг. 100, вверху). При подводе питания под левую прибыль (прилегающую) самый холодный металл поступит в правую прибыль (удаленную) и в участки отливки, расположенные под ней. По отношению к прилегающей прибыли отливка будет затвердевать положительно направленно, а по отношению к удаленной - отрицательно направленно.

До тех пор пока область расплава не разделилась, обе прибыли питают всю отливку. При создавшихся условиях раньше всего затвердевает сечение А - А поблизости от удаленной прибыли. Прилегающая прибыль питает теперь большую часть отливки до сечения А - А, удаленная же - только часть, на которой она находится. В результате в прилегающей прибыли образуется большая усадочная раковина, чем в удаленной; остаточная часть прилегающей прибыли (если размеры прилегающей и удаленной прибылей были одинаковы) будет меньше, что надо признать положительным обстоятельством.

Если, область действия прилегающей прибыли меньше относящейся к ней части отливки (фиг. 100, внизу), на тепловой оси вблизи удаленной прибыли образуется осевая усадочная раковина. В этом случае можно переместить удаленную прибыль, поставив ее перед сечением В - В, как показано пунктиром. Прибыль станет уже полуприлегающей или полуудаленной.

Удаленные прибыли работают, как видно, очень слабо, поэтому нежелательно использовать их для сплавов, склонных к усадке. Путем перемещения можно превратить удаленную прибыль в полуприлегающую или при определенных обстоятельствах совсем от нее отказаться, увеличив соответственно радиус действия прилегающей прибыли. При этом необходимо обеспечить выгодное сочетание температурного и силового полей. Отливку с прилегающей, а иногда одновременно и с полуприлегающей прибылью, заливают в наклонном положении, причем часть отливки, на которой расположена прибыль, находится внизу. Этим создается значительная разница температур в удаленной и прилегающей частях, достигается высокая степень направленного затвердевания, т. е. выгодное температурное поле. После заливки форму поворачивают так, чтобы прилегающая прибыль была на самом верху, чем достигается соответствующее дополнительное давление, т. е. выгодное силовое поле. На этом принципе основаны реверсивные, или поворотные, способы заливки, причем из них наиболее широко применяют заливку с поворотом на острый угол (фиг. 101, а).

Еще более выгодные температурное и силовое поля достигаются при полном повороте (фиг. 101, в), когда после заливки форму поворачивают на 180°. Предложен был также способ поворота на тупой угол (фиг. 101, б) с начальным положением как при повороте на острый угол. Поворот после заливки на тупой угол существенно увеличивает питающее давление, поскольку прибыль занимает наиболее высокое положение.

136 ЛИТЕРАТУРА

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Степень направленности затвердевания обратно пропорциональна величине отношения ш (т. е. поверхности затвердевания к поверхности зеркала металла). Если эта величина стремится к единице, угол двухфазных зон стремится к 180°, чем достигается наибольшая степень направленности затвердевания, которое переходит в последовательное затвердевание в продольном направлении (см. фиг. 98, в). При этом область затрудненного питания наименьшая, область же действия прибыли наибольшая.

К сожалению, такого идеального способа затвердевания достигают только при литье погружением и при центробежном литье. При этих способах изобара в расплаве параллельна изотерме затвердевания. Во всех остальных случаях эти плоскости всегда образуют более или менее острый угол (фиг. 98, а и б).

Отливки с плавно изменяющейся толщиной стенки

Примеры таких отливок приведены на фиг. 102. В наиболее широкое место каждой из них можно вписать только один шар наибольшего диаметра.



136 ЛИТЕРАТУРА

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Эти широкие участки называются термическими узлами; они дольше остаются горячими и дольше затвердевают.

Относительная величина термического узла U представляет отношение наибольшего Dмакс и наименьшего Dмин диаметров вписанных шаров:

Абсолютная величина термического узла определяется объемом расплава, ограниченным предельной изотермой, т. е. изотермой в момент прекращения питания (фиг. 102, в).

В этот момент при узле, удаленном от прибыли, область расплава делится на две части, из них одна объемом Vуз остается в отливке.

Термические узлы в горизонтальной (а) и вертикальной (б) отливках находятся в выгодном положении, потому что на них можно поместить прибыль. Прибыль должна быть помещена так и иметь такие размеры у своего основания, чтобы шар, вписанный в узел, мог без труда пройти в прибыль. Необходимо обеспечить такие размеры прибыли, при которых время ее затвердевания превышало бы время затвердевания термического узла.

Термические узлы на фиг. 102, а и б могут иметь на себе прибыли, которые устраняют вредное влияние этих узлов («обезвреживают» их).Эти узлы также называют прилегающими к прибыли.

На фиг. 102, в термические узлы удалены 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.

Наоборот, взаимное положение и конфигурация отливки и прибыли на фиг. 102,а и б гарантируют направленное затвердевание даже в том случае, когда питание подводится со стороны, противоположной прибыли. Влияние конусности отливки преобладает над влиянием подвода литниковой системы. Степень направленности наиболее высока тогда, когда питание подводится в термический узел, который в этом случае называют проточным.

При конусной стенке (фиг. 103) существует наименьшее значение критического уклона kн отливки (а); влияние уклона на степень направленности затвердевания почти подавляется влиянием подвода литниковой системы и скорости заливки во, всех частях тепловой оси. Если критическая конусность не достигает этого нижнего значения, отливка будет затвердевать отрицательно направленно. Поэтому у некоторых сплавов наиболее безопасна литниковая система с прилеганием термического узла, а тем самым и прибыли к подводу питания. При этих условиях можно еще больше увеличить степень направленности затвердевания, если проводить заливку в наклонном положении, что ведет к дальнейшему увеличению области действия прибыли. Следовательно, и при такой конструкции отливки можно применить способ реверсирования.

Плавное изменение толщины стенки отливки с узлом и прибылью, прилегающими к подводу питания, надо считать эффективным средством получения плотных отливок без осевых усадочных раковин. Однако совершенная внутренняя плотность отливки достигается только при высшей критической конусности отливки (фиг. 103, б), зависящей от свойств сплава, формы и конструкции отливки.

Отливки с резко изменяющейся толщиной стенки

В толстую часть отливки обычно можно вписать бесконечное множество шаров одинакового диаметра; то же относится и к тонкой части (фиг. 104). Относительная величина узла характеризуется отношением Dмакс/Dмин, абсолютная же - объемом, ограниченным лимитирующей изотермой (изотермой затвердевания).

Большой непроточный узел, не имеющий над собой прибыли, нельзя переохладить извне. Однако его можно обезвредить установкой внутреннего холодильника. У отливок из сплавов, допускающих такую установку, все непроточные и иногда лишь слабо проточные узлы захолаживают изнутри.

Если прибыль не питает узла и в то же время узел проточный, его не удается обезвредить ни наружным, ни внутренним захолаживанием, если только не изменитьтехнологический процесс или конструкцию, т. е. разделить нетехнологическую отливку на несколько частей с термическими узлами, которые могут быть обезврежены. Верхняя прибыль может подавать металл только до границы А - Ас момента полного затвердевания переохлажденного узла (фиг. 107, а). Затем термический узел будет питать сам себя и удаленную от прибыли тонкую часть отливки, если она до этого времени не затвердела. В результате в термическом узле образуется усадочная раковина. Полуприлегающий узел сравнительно малой относительной и абсолютной величины можно обезвредить установлением снаружи холодильника, лишь когда этот узел местный (фиг. 107, а и б). В нижнюю часть отливки питающий металл проходит по соседним тонким стенкам отливки, но не через узел. Если узел не может быть переохлажден извне, то под влиянием внешнего холодильника усадочная раковина уменьшится и отодвинется в направлении от холодильника.

Узел «сквозной», или «зональный», проходит через всю отливку. У закрытых (полых) отливок это венечный, или кольцевой, узел (фиг. 107, г). Если удаленная стенка, находящаяся за узлом, имеет такую же толщину, какпитающая стенка, узел нельзя переохладить, так как это привело бы к образованию усадочной раковины в удаленной стенке. Недоохлаждение этого узла сопровождается долевой или кольцевой усадочной раковиной в нем.

Сквозной или кольцевой узел, полуприлегающий к прибыли, не может быть охлажден извне. Внутренний холодильник у такого узла тоже нельзя точно установить,поэтому узел не может быть охлажден и изнутри. Остается только изменить конструкцию отливки, снабдив сквозной полуприлегающий узел технологическим припуском (фиг. 107 в). Размеры этого припуска(фиг. 107, в). Размеры этого припуска отвечают правилу вписанного шара, как и размеры основания прибыли. Термический узел соединяется с прибылью и питается из нее.

136 ЛИТЕРАТУРА

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/



136 ЛИТЕРАТУРА

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

На фиг. 108, а показан полуприлегающий сквозной узел, который можно было бы обезвредить захолаживанием, потому что питающая стенка довольно тонка, т. е. Dуд<Dмин<Dмакс (здесь Dуд - толщина удаленной стенки). Чем больше отношение Dмин/Dуд, тем больше возможность переохлаждения узла, чтобы в удаленной части не образовалась усадочная раковина. Это справедливо и для переохлаждаемого местного узла. Когда узел не может быть переохлажден, его нельзя обезвредить захолаживанием. Если толщина Dмин питающей стенки меньше, чем удаленной стенки Dуд (фиг. 108, б), захолаживанием узла Dмакс можно предупредить образование в нем усадочной раковины, но в удаленной части Dуд раковина образуется. В этом случае следует переохладить обе части, т. е Dмакс и Dуд (фиг. 108, в).

В отдельных отливках с резко изменяющейся толщиной стенки можно применить способ реверсирования, если термический узел проточный и прилегает одновременно клитнику и прибыли. Радиус действия прибыли при этом увеличивается.

Узлы N и О нельзя захолодить, в связи с чем при данном подводе питания и расположении прибыли ничего не остается лучшего, как надлежащим образом скорректировать сечение отливки. Вписывают в узел О наибольший шар и катят его по внутреннему контуру отливки (внутри ребра) до узла. Наружная поверхность шаров образует выгодный наружный контур отливки. Имеет смысл несколько расширить сечение по направлению вверх, чтобы гарантировать направленность затвердевания.

Наибольший шар, вписанный теперь в узел N, можно перемещать (катить) по внутреннему или, как в данном случае, наружному контуру до узла М. По наибольшему шару, вписанному в увеличенный узел М, устанавливают положение прибыли и размеры ее основания.

Последнее решение требует больших литейных припусков, которых, как правило, надо избегать. Чтобы не увеличивать чрезмерно расход сплава, достаточно усилить только отдельные пояса. Между узлами О и N число таких поясов будет соответствовать числу сопряжений ребер с узлом О, а между узлами N и Мдостаточно столько усиленных поясов, сколько ставитсяприбылей.

Хотя это решение и безопасно, если стенке придана надлежащая конусность, но оно неэкономично, потому что требует дополнительной обдирки. Поэтому охотно идут на другую комбинацию термических узлов. Выгоден такой подвод сплава в форму, чтобы все термические узлы одинаково были прилегающими по отношению к подводу и к прибыли. В данном случае это может быть заливка прямо в прибыль или подвод питания непосредственно под прибыль с обеспечением против размыва формы и захвата воздушных пузырьков. В таком случае характеристика узлов будет иной.

Узел О можно обезвредить захолаживанием, а узел М - прибылью. Узлы N и М соединяются одним литейным припуском или узел N снабжается прибылью, причем лучше всего закрытой атмосферной (показана пунктиром на фиг. 115).

Сначала расплав из прибыли на узле М будет подаваться во всю отливку и, следовательно, в боковые прибыли.Только после затвердевания стенки между узлами М и N начнет действовать прибыль N, в раковине которой будет атмосферное давление. Раковина образуется глубже под сводом прибыли и будет в общем невелика. Прибыль N имеет сравнительно большую остаточную часть.

Наиболее выгодным решением было бы сохранить заливку в прибыль и разделить кольцевой узел N, если это возможно, на несколько местных узлов, относительнаяи абсолютная величина которых позволила бы их захолаживание снаружи. Узел был бы обезврежен захолаживанием, а прибыль на узле М питала бы всю отливку. Есливсего этого сделать нельзя, не остается ничего иного, как разделить нетехнологичную отливку на две или более, изготовить их отдельно, а затем сварить между собой (фиг. 116).

Эффект внешних холодильников тем меньше, чем дольше при заливке по ним течет расплав.

Внутренними холодильниками можно обезвредить и более крупные термические узлы. Внутренний холодильник должен хорошо соединяться с материалом отливки, поэтому он должен быть из того же материала. Если на сплаве образуется пленка окислов, пользоваться внутренними холодильниками нельзя из-за опасности, что они не соединятся с металлом отливки.

Размеры внутреннего холодильника устанавливают из уравнения теплового равновесия: тепло, переданное расплавом холодильнику до его поверхностного оплавления, равно теплу, отнимаемому у расплава в термическом узле объемом Vуз (см. выше):

Gхол·схол (tсол - t20) = Vуз·гспл [сспл (tзал - tсол) + W]. (52)

Объем внутреннего холодильника, принимая в расчет вытесненный им объем расплава (незаполненное расплавом пространство), составит [1]

где Q = гспл [сспл (tзал - tсол) + W].

Поясним буквенные обозначения, используемые в формулах (52) и (53):

Gхол - вес холодильника;

Vуз - объем термического узла;

схол - удельная теплоемкость материала холодильника;

сспл - удельная теплоемкость материала отливки;

гхол - удельный вес материала холодильника;

гспл - удельный вес материала отливки;

W - теплота кристаллизации сплава;

Q - тепло перегрева сплава над солидусом (тепло, теряемое сплавом при его охлаждении до температуры солидуса);

tзал - температура заливки;

tсол - температура солидуса сплава;

t20 - температура помещения.

Холодильник при этом должен иметь такую поверхность, чтобы захолаживаемый им узел затвердевал раньше, чем питающая стенка.

Расширить возможности применения внутреннего и наружного захолаживания можно за счет надлежащей техники заливки. Следует обращать особое внимание на чистоту холодильников и принимать меры против их неразвара.

Основы литья в металлические формы. При распространении наружного холодильника на всю поверхность отливки получим кокиль - металлическую форму, заменяющую форму из песчаноглинистой смеси. Когда от металлической формы получается только определенная часть поверхности, например только наружная поверхность полой отливки, а остальная поверхность отливки - от песчаной формы, как правило, от стержня, то такой процесс называется литьем в полукокиль. Полую отливку можно отливать в кокиле, пользуясь металлическим стержнем:

В настоящее время в кокиль льют многие цветные сплавы, литье черных сплавов пока ограниченно. При литье черных сплавов в металлические формы прежде всего имеет значение влияние техники заливки на температурное поле отливки и металлической формы. Наиболее стойки те участки формы, через которые протекает наименьшее количество металла; места с большой проточностью преждевременно выводят форму из строя. С этим недостатком при литье черных сплавов можно бороться, применяя надлежащую технику заливки и защищая сильно проточные места формы разовыми песчаными стержнями. У чугунных кокильных отливок эта проблема усложняется еще отбелом, который тем больше, чем меньше была степень проточности.

136 ЛИТЕРАТУРА

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Таким образом, в местах, где кокиль изнашивается незначительно, у отливок получается наибольший отбел, в проточных же местах отбел вообще не должен появляться. Отливку с местным отбелом надо еще подвергать графитизирующему отжигу. Чугун заливают в нагретые до нужной температуры кокали, и продолжительность одного теплового цикла от одной заливки до другой определяется периодом охлаждения используемого кокиля до необходимой начальной температуры. Сокращение последующих тепловых циклов привело бы к перегреву кокиля и снижению его стойкости, даже если отливка имеет одинаковую толщину стенок и кокиль находится в тепловом равновесии.

При переменной толщине стенок отливки разные части кокиля нагреваются до разных температур за один цикл или за ряд циклов. Даже при намеренном изменении толщины стенки кокиля все части его не могут охладиться до одной и той же температуры к очередной заливке. Если это не учитывать, то не только отдельные участки кокиля будут изнашиваться быстрее остальных, но при неправильном ритме после какого-то цикла в некоторых местах отливки начнут образовываться усадочные раковины (фиг. 118).

В таком случае надо регулировать температурное поле кокиля ускорением охлаждения соответствующих участков или замедлением охлаждения других, чтобы исходное температурное поле кокиля непосредственно перед заливкой было хотя 6ы практически гомогенным.

После извлечения отливки требуется, как правило, дать кокилю остыть. В связи с этим следует иметь в распоряжении целый комплект кокилей и чередовать заливку в них так, чтобы, с одной стороны, заливка не задерживалась, а, с другой стороны, кокили имели бы надлежащую исходную температуру. Кокили в таком комплекте должны, конечно, соответствовать отливкам с не слишком различной толщиной стенок.

Принципы экономичного выбора прибылей

Идеальный и действительный объемы прибылей. Прибыли, требующиеся во всех описанных случаях, надо считать неизбежным злом, поскольку без них обычно нельзя предотвратить усадку сплавов в отливках. Поэтому стремятся, чтобы на прибыли уходило как можно меньше сплава и чтобы одновременно они действовали с должной эффективностью. Отсюда необходимо надлежаще управлять температурным и силовым полями затвердевающей системы отливка - прибыль.

Будем исходить из идеальной величины прибыли. Это такой добавочный объем сплава, который полностью перемещается в затвердевающую отливку, причем на затвердевшей отливке никакого избытка металла не остается.

Идеальный объем прибыли Vпр. ид определяется из выведенного автором [1] уравнения

где Vo - объем отливки или соответствующей части ее;

- удельный объем сплава при температуре солидуса;

- удельный объем расплава при температуре заливки.

В практике обычно нельзя рассчитывать на идеальную величину прибыли по следующим причинам:

1) та часть поверхности отливки, на которой помещается прибыль, не бывает такой же гладкой, как остальная поверхность (фиг. 119, б);

2) у крупных отливок непосредственно под прибылью была 6ы больше гравитационная ликвация (см. фиг. 60);

3) отливка затвердевает не постепенно по направлению к прибыли с углом между двухфазными зонами, равным180° (см. фиг. 98, в),как это может быть только при центробежном литье погружением, а от боковых стенок, вследствие чего двухфазные зоны образуют, как правило,острый угол (фиг. 98, а, б). После затвердевания всегда остается избыточная часть прибыли Vизб.

Во время затвердевания начальный объем прибыли уменьшился до Vизб (фиг. 120). Разность Vпр - Vизб, если не учитывать при этом объемной усадки твердой фазы прибыли во время затвердевания, представляет объем расплава, переместившегося за это время из прибыли в отливку. Так, освободившееся пространство складывается из части, образовавшейся, когда опускался весь уровень Vпредв, и изсобственно усадочной раковиныVур (см. выше):

Vпр-Vизб = Vур + Vпредв. (55)

Об экономичности прибыли можно судить по коэффициенту использования зпр, который равен

Если по своей величине прибыль приближается к идеальной, зпр стремится к единице. Чем больше зпр, тем меньше остаточная часть прибыли, тем прибыль экономичней. Обратное отношение

можно назвать коэффициентом неэкономичности прибыли. Обычно величина х бывает больше 1, колеблясь между 5 и 15. Если это отношение стремится, к единице, величина прибыли приближается к идеальной.

Температурное и силовое поля прибылей. Чтобы остаточная часть прибыли была наименьшей, необходимо достигнуть высокой степени направленности затвердевания хотя бы при переходе отливки в прибыль и в прилегающей части прибыли, т. е. большого угла щ, образуемого двухфазными зонами.

Такое целенаправленное овладевание температурным полем прибыли достигается за счет правильного выбора формы и величины прибыли, способа литья, управляемого охлаждения системы прибыль - отливка. Кроме того, стремятся увеличить питающее давление. Все эти условия подчинены свойствам сплава. Наибольшее значение при этом имеют форма прибыли и управление охлаждением системы прибыль - отливка.

Классификация прибылей

Прибыли классифицируются по нескольким признакам.

А. Положение по отношению к подводу питания (фиг. 121)

1. Прилегающие (обозначение 1):

а) питающие вертикально вниз (фиг. 121, б, справа),

б) питающие горизонтально (фиг. 121, а),

в) питающие вертикально вверх (фиг. 121, б, слева),

г) питающие наклонно вверх (фиг. 121, в).

2.Удаленные (обозначение 3):

Подразделения те же, что и в п. 1 [от «а» до «г»].

3. Полуприлегающие или полуудаленные (обозначение 2):

Подразделения те же, что и в п. 1 [от «а» до «г»]

Б. Форма прибыли (фиг. 122)

1.Открытые:

а) призматические,

б) с параллельными стенками,

в) усеченная пирамида,

г) усеченная пирамида с прямоугольным горизонтальным сечением,

д) усеченный конус,

е) усеченный конус с эллиптическим горизонтальным сечением,

ж) усеченный конус с чечевицеобразным сечением,

з) кольцевая с двусторонним уклоном,

и) кольцевая с наружным уклоном,

к) кольцевая с внутренним уклоном,

л) кольцевая с внутренним и наружным уклонами

в одном направлении,

м) кольцевая конусная с обратным уклоном,

н) кольцевая цилиндрическая,

о) кольцевая коническая с нормальным уклоном,

п) с выпуклыми стенками,

р) чечевицеобразная выпуклая.

2. Закрытые (фиг. 122, пунктирные линии):

Подразделения те же, что и у открытых прибылей [от «а» до «р»].

В. Питающее давление

1.Разрежение.

2.Атмосферное (фиг. 123).

3. Высокое (газовое) (фиг. 124).

Г. Тепловая защита прибыли

1.Нормальная:

а) без экзотермической засыпки,

б) с экзотермической засыпкой.

2.Теплоизоляционная:

а) сбоку,

136 ЛИТЕРАТУРА

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/



136 ЛИТЕРАТУРА

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

б) сверху и сбоку (фиг. 125).

3. Экзотермическая:

а) сбоку,

б) сверху и сбоку.

Д. Присоединение прибыли к отливке

1. Торцовое:

а) без разделительной пластины (фиг. 126,а),

б) с разделительной пластиной (фиг. 126,б).

2. Боковое:

а) без разделительной пластины (фиг. 127, а),

б) с разделительной пластиной (фиг. 127, б).

В эту классификацию попадают любые прибыли.

Группа А. Наиболее эффективный тип прибыли А1, а в нем А1а. Наименее эффективный А3, а в нем А3в, А3б, А3г в случае, если прибыль питает отливку вверх.

Группа Б. Открытые и закрытые прибыли имеют свои преимущества, если они надлежаще эффективны. Экономически наименее выгодны призматические прибыли Б1а, Б1б, Б1в, Б1г, Б2а, Б26, Б2в, Б2г. На них требуется больше сплава, причем время их затвердевания такое же, как и закругленных тел, в них вписанных. Поэтому более выгодны прибыли Б1д, Б1е, Б1ж, Б2д, Б2е, Б2ж, иногда и кольцевые прибыли с увеличивающимся кверху горизонтальным поперечным сечением Б1з, Б1и, Б1л, Б1м, Б1н, Б1о. То же относится к прибылям закрытым, т. е. группы Б2. Наиболее выгодны выпуклые прибыли Б1в, Б1р; выпуклыми можно делать и прибыли всех остальных конфигураций. Надлежащая выпуклость прибыли способствует уменьшению величины ш во время затвердевания, так что усадочная раковина получится мелкая, а остаточная часть будет мала. Сказанное относится и к закрытым прибылям, т. е. к группе Б2. Силовое поле прибыли определяется питающим давлением.

У прибылей с разрежением (В1) усадочная раковина образуется вследствие разрежения, на опускающийся же уровень действует незначительное давление газов, так что питающее давление почти равно лишь гидростатическому давлению свободного расплава. Прибыли с разрежением могут быть открытые и закрытые.

Если затвердевшая корка прибыли с разрежением будет прорвана самопроизвольно или намеренно, на зеркало свободно питающего расплава начнет действовать атмосферное давление. В этот момент значительно повысится питающее давление и более эффективно будет подавляться рассеянная пористость. Прибыль с разрежением превратится в атмосферную (В2).

В закрытые прибыли можно заложить песчаный стержень, так называемый атмосферный (фиг. 123), выступающий в полость прибыли. Стержень прогревается, так что на нем сплав не затвердевает. Газы, выделяющиеся из нагретого стержня, будут некоторое время поддерживать в раковине давление выше атмосферного.

При открытых прибылях не следует пользоваться атмосферными стержнями, достаточно защитить зеркало так, чтобы по возможности до конца затвердевания металл на нем оставался жидким. Достигается это при помощи различных экзотермических засыпок, иногда и другими способами с выделением тепла, например продувкой кислородом.

У прибылей с высоким (газовым) давлением главное условие - своевременное образование твердой корки на своде и боковых стенках. Заряд, подобранный по времени действия и укрепляемый в полости отливки (фиг. 124), начнет выделять газы только после затвердевания этой корки. Газы собираются под коркой и давят на зеркало питающего расплава, чем значительно увеличивают питающее давление. Сам по себе заряд для своего прогрева и для газообразования требует определенного количества тепла, что ухудшает температурное поле прибыли. В связи с этим не все прибыли следует снабжать газовым зарядом. У стальных отливок этот способ выгоден при диаметре прибыли от 120 до 300 мм. У более крупных прибылей корка на своде затвердевает с опозданием, так что газы из заряда начнут выделяться раньше, чем образуется корка, и прибыль с газовым давлением превратится в атмосферную. То же случится, если заряд освободится и всплывет к своду прибыли, как это часто бывает. Ф. Гавличек и П. Елинек сконструировали заряд, который можно вложить когда угодно в трубку, залитую в своде закрытой прибыли. Этот способ действует безотказно и позволяет достигнуть высокого питающего давления в то время, когда это наиболее нужно, т. е. когда затвердевают внутренние части отливки.

Целесообразная тепловая защита прибыли (фиг. 125, 126) приводит к выгодному температурному полю. Зеркало металла в открытых прибылях обычно засыпают экзотермическими материалами, например древесным углем или специальными смесями. Только в исключительных случаях, когда опасаются химической реакции засыпки со сплавом, зеркало засыпают сухим песком. Специальная защита прибыли составляется из теплоизоляционной и экзотермической обкладок и из теплоизоляционной, а чаще из экзотермической засыпки на зеркало металла в прибыли. Теплоизоляционная и экзотермическая обкладки замедляют затвердевание прибыли с боков. Образуется мелкая усадочная раковина, поскольку отношение ш было очень невелико.

Под влиянием залитого сплава составляющие экзотермической обкладки начинают взаимно реагировать с выделением тепла. Влияние теплоизоляционной и экзотермической обкладок в соединении с засыпкой превышает влияние конфигурации отливки на температурное поле прибыли. Поэтому здесь достаточно выбрать цилиндрическую форму прибыли. При пользовании такими прибылями можно брать несколько меньший диаметр прибыли в соответствии с соотношением

где kо и kпp - константы затвердевания отливки и прибыли; Rо и Rпр - приведенные толщины отливки и прибыли.

Практически наиболее эффективны атмосферные прибыли с экзотермической обкладкой и засыпкой. При них достигается коэффициент экономичности, равный 3, а иногда и меньший. При этом такие прибыли относительно тонки у основания, что дает экономию и на их отделении.

У крупных прибылей действие экзотермических обкладок кончается слишком быстро из-за бурной реакции. Вследствие этого в экзотермическую смесь вводят замедлители, например CaFe, которые способствуют выделению тепла в течение большего времени, близкого ко времени затвердевания прибыли, чтобы еще более ограничить тепловые потери.

Вопрос о замедлителях пока еще не решен до конца. Поэтому для крупных прибылей диаметром от 350 мм и более, как правило, экзотермических обкладок не применяют, пользуясь только надлежащей экзотермической засыпкой. Слой экзотермической засыпки покрывают сверху еще слоем теплоизолирующего материала, например золы из труб электростанций, чтобы избежать тепловыделения в атмосферу.

Различают прибыли торцовые и боковые. И те и другие можно удалять обычным способом или отбивной: Между отбиваемой прибылью и отливкой закладывают специальную тонкую разделительную пластину с отверстием, через которое расплав перемещается в отливку при затвердевании (фиг. 127, в). Ось отверстия пластины должна поэтому совпадать с тепловой осью системы отливка - прибыль.

Система отливка - пластина - прибыль не удовлетворяет правилу вписанных шаров, однако правильно помещенная тонкая пластина не мешает питанию отливки металлом из прибыли, потому что быстро прогревается от окружающего сплава до температуры его солидуса. Сплав затвердевает не от пластины, а только от окружающей формы.

При обеспечении системы от захвата воздушных пузырей, при правильном способе заливки и при надлежащих размерах, прочности и положении пластины данный способ действует безотказно.

Разделительные пластины оправдывают себя для прилегающих прибылей. Прибыль отбивается простым ударом кувалды.

Установление размера прибылей. На температурное и силовое поля прибыли, а тем самым и на ее коэффициент неэкономичности влияет так много факторов, что непредставляется возможным выразить это в виде математической зависимости. Поэтому требуется «чутье» литейщика, основанное на знании хода затвердевания и усадки сплавов.

При определении величины прибыли исходят из двух положений:

1) время затвердевания прибыли любого типа должно быть больше времени затвердевания питаемого узла;

2) прибыль должна содержать достаточный запас жидкого металла, чтобы после перемещения некоторой его части в отливку последняя капля затвердевала в прибыли. Кроме того, предполагается, что отливка затвердевает во всех частях направленно или хотя бы одновременно.

Если Zпр - время затвердевания прибыли, а Zо - время затвердевания отливки, то должно существовать неравенство Zпр>Zо, или (по Хворинову)



где Rпр и Ro - приведенные толщины прибыли и питаемого узла отливки,

kпр и ko - константы затвердевания прибыли и отливки.

Из предыдущего следует, что

Откуда

Выбрав форму прибыли, по Rпр = Vпр/Fпр устанавливают ее размеры. При комбинации теплоизолированная прибыль - отливка (в песчаную форму) отношение kпр/ko несколько меньше 1, что можно определить экспериментально методом выливания. Таким образом, окончательная приведенная толщина прибыли может быть меньше, чем питаемого ею узла. При экзотермической обкладке и теплоизолирующей засыпке прибыли толщина прибыли должна быть еще меньше, а в связи с этим и остаточная часть прибыли меньше.

Аналогичного эффекта достигают, получая прибыль в песчаной форме, а отливку в кокиле. Таким образом, дело не в абсолютных значениях констант kпр и ko, а только в отношении между ними, которое обычно изменяется во времени.

Наибольший эффект достигается при комбинации: экзотермически обложенная и засыпанная прибыль - отливка, затвердевающая в кокиле, охлаждаемом водой. На границе прибыль - отливка отношение ш близко к 1, потому что угол между двухфазными зонами тупой (ближе к прямому) и коэффициент неэкономичности прибыли приближается к 1. При этих условиях остаточная часть прибыли будет минимальной, если ее размеры (высота) выбраны правильно.

Для установления запаса жидкого металла в прибыли следует исходить из выведенного автором уравнения, действительного

для прилегающей и полуприлегающей прибылей на отливке с одним термическим узлом:

где Vпр - объем жидкой прибыли;

Vо - объем отливки или подприбыльного узла;

х - коэффициент неэкономичности прибыли;

в - коэффициент усадки (в сотых долях).

Из уравнения (60) получаем, что объем прибыли

Некоторая часть отливки может затвердевать во время заливки, поэтому она не будет участвовать в образовании усадочной раковины. Следовательно, надо уравнение для жидкого объема прибыли корректировать на затвердевшую часть:



Если мы знаем коэффициент усадки в, т. е. объем усадочной раковины в сотых долях, и коэффициент неэкономичности прибыли х, то можно для отдельного сплава и выбранного типа прибыли вставить в уравнение значения х и в и тем упростить уравнение. Коэффициент х колеблется в пределах от 3 у экзотермически обложенных и засыпанных прибылей до 20 и более у прибылей с разрежением, а также у удаленных прибылей с незначительной или обратной конусностью. У нормальных открытых экзотермически засыпанных прилегающих прибылей х составляет от 5 до 10 (то же у закрытых торцовых, а у боковых он несколько выше).

У сплавов, затвердевающих в очень широкой двухфазной зоне, капиллярные силы преобладают над весом свободного расплава в течение большей части периода затвердевания. Здесь величина прибыли уже имеет меньшее значение.

На полезную величину прибыли влияет также доливка в прибыль, которая практикуется при больших прибылях на крупных отливках, где отношение ш к концу затвердевания опасно повышается, так что усадочная раковина может быть глубже, чем высота прибыли. Устранение этого недостатка путем увеличения высоты прибыли повело бы к чрезмерному расходу сплава. Поэтому в прибыль многократно доливают горячий металл, когда в результате опускания питающего расплава освобождается пространство.

3. ПРИРОДНЫЕ (ЭНДОГЕННЫЕ) ГАЗОВЫЕ РАКОВИНЫ В ОТЛИВКАХ [5, 6, 34]

В сплавах всегда содержатся газы.

1. Газы, атомы которых имеют малый атомный радиус. В этом случае атомы (ионы) могут располагаться между атомами основного металла. Обычным примером служит раствор водорода в стали или алюминиевых сплавах.

2. Газы, имеющие большое химическое сродство к некоторым составляющим сплава, находятся в сплавах в виде химических соединений. Некоторые окислы с более низкой валентностью растворяются в сплаве, например FeO в стали, Cu2O в сплавах меди; другие окислы с невысокой валентностью образуют новые самостоятельные фазы, такие, как поверхностные плены или неметаллические включения.

3. Атомы газов могут быть также поверхностно адсорбированы или химически соединены с составляющими сплава на его поверхности (химическая адсорбция).

4. Если при определенных условиях - давлении и температуре - расплав пересыщается газом, то избыточный газ выделяется в виде эндогенных пузырей.

Растворение и выделение газов [5]

Шихта для плавки всегда содержит большое количество газов, которое увеличивается еще от ржавчины, остатков масла и

других загрязнений. Расплавленный металл вcтречается с атмосферой, с которой реагирует физически и химически. В расплав могут переходить еще тазы, а также выходить из него в окружающую атмосферу в зависимости от того, в какой среде выше их парциальное давление. Следовательно, при этом имеют значения парциальные давления разных газов и некоторые газы переходят из атмосферы в жидкую ванну, другие одновременно из ванны выходят в атмосферу. Эта закономерность подчиняется уравнению Сивертса, скорректированному автором:

где Sгаз - количество газа, растворенного в сплаве;

р1, p2 - парциальные давления этого газа в окружающем пространстве и в сплаве соответственно;

k - константа пропорциональности, характеризующая растворимость данного газа в сплаве.

Количество физически растворенного газа увеличивается с температурой, как это схематически представлено кривой 1 на фиг. 128. Если данный газ, например кислород, образует соединение с компонентами расплава, растворимость газа уменьшается с повышением температуры, как это показано кривой 2.

Из скорректированного уравнения Сивертса следует, что возможны следующие случаи:

p1>р2, и газ будет растворяться в сплавах тем быстрей, чем больше будет разница р1-р2;

p1<р2, и газ будет выходить из сплава в окружающее пространство тем интенсивней, чем больше разница р1-p2;

р1 = p2, случай равновесия - газ не поглощается расплавом и не выделяется из него.

Следовательно, газы поглощаются или выделяются тем энергичней, чем больше градиент концентрации их в окружающем пространстве и сплаве. Этим определяется линейная скорость диффузии. Она понижается во времени по мере того, как уменьшается разница в концентрации. Относительная поверхность контакта сплава с атмосферой не влияет на линейную скорость диффузии, но влияет на объемную, т. е. на количество поглощенного или выделившегося газа. При одинаковой линейной скорости диффузии объемная скорость диффузии тем выше, чем больше относительная поверхность контакта сплава с атмосферой.

Парциальные давления газов р1 и р2 зависят от содержания этих газов S1 и S2 в обеих средах. Поэтому можно написать уравнение, подобное уравнению (63):

Регулируя величины S1, или S2, или обе одновременно, можно установить выгодное соотношение. Всегда стремятся достигнуть низкого содержания газов в сплаве S2, так чтобы разница S1 - S2 была положительной величиной во время заливки и при затвердевании. В этом случае не образуется эндогенных пузырей. Этого можно достигнуть или снижением S2, или повышением S1, а иногда тем и другим одновременно.

Газовые пузыри из физического раствора начнут выделяться только при известных условиях. Поскольку речь идет о диффузионном процессе, выделение газов тормозится ускоренным охлаждением отливки. В этом случае избыточные газы остаются в сплаве и не выходят в виде пузырей.

Образование газовых раковин вследствие химических реакций [35]

Классический пример - образование эндогенных газовых раковин в стальных отливках в случае, когда содержание растворенной FeO при затвердевании превысило критическую величину (фиг. 129), выше которой эффективное количество FeO так значительно, что FeO вступает в реакцию с содержащимся в стали углеродом:

FeO + С > Fe + СОгаз + Q (кал). (65)

Критическое содержание FeO зависит от содержания углерода и стали и от температуры. Если в стали имеется достаточный избыток сильных раскисляющих присадок, которые хорошо связывают кислород, например кремний, алюминий, то кислород соединяется прежде всего с этими элементами. Только после этого оставшийся кислород связывается с железом в FeO. Когда же содержание FeO превысит критическую величину, начнут образовываться эндогенные газовые пузыри.



136 ЛИТЕРАТУРА

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Газообразный продукт реакции углерода в отливке - пузыри СО - ведет себя физически по отношению к остальным растворенным в стали газам как вакуум, поскольку парциальное давление этих газов в пузыре равно нулю.

Сказанное прежде всего относится к водороду, который жадно диффундирует в пузырьки СО, соединяясь также с газами формы и вызывая «рост» пузырьков. Постепенный рост служит важнейшим признаком эндогенных газовых пузырей, возникающих в результате реакции.

Сам по себе водород начал 6ы выделяться только при его высоком содержании в сплаве, например выше 13 см3/100 г, и то во время постепенного затвердевания сплава. Это проявилось бы так называемым водородным кипением, при котором на верхней поверхности прибыли после заливки появляются типичные опухолевидные образования (фиг. 130).

Из хорошо раскисленной стали газовые пузыри могут попасть в отливку в том случае, если степень раскисления Nраск [36] будет ниже, чем дополнительное вторичное окисление от влажных и нечистых предметов, как желоба, ковши, инструменты, сырая форма, и от атмосферы:

где Оп - кислород, который может связываться с присутствующим избытком раскисляющих присадок (Si, Аl);

136 ЛИТЕРАТУРА

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Одоп - кислород, попадающий в сталь дополнительно по окончании раскисления.

Величина Оп остается постоянной, величина же Одоп повышается от нуля до определенного численного значения перед заполнением формы. Поэтому возможны следующие случаи:

1. Если до заполнения формы Nраск> l, в отливке не будет эндогенных газовых раковин, потому что практически не образуется FeO.

2. Если перед заливкой формы Nраск< l, в отливке образуется FeO. При превышении ее критического содержания она реагирует с углеродом, что приводит к образованию эндогенных газовых раковин (фиг. 131, а).

Если полость формы заполнялась сталью турбулентно, то вся отливка будет без газовых раковин при условии Nраск> 1. Если же Nраск< 1, то эндогенными газовыми раковинами будет поражено все сечение.

При ламинарном заполнении сырой формы, имеющей окислительное действие, кислород может обогатить только поверхностные части отливки и только в этих участках N раскможет упасть ниже единицы, когда образуется сверхкритическое количество FeO. В этом случае образуются подповерхностные эндогенные раковины, так называемая ситовидная пористость. Внутренняя же часть отливки остается свободной от раковин и дегазированной, потому что большая часть водорода из нее выделилась в пузырьки СО (фиг. 131, б).

Надлежащей защитой против эндогенных газовых пузырей, возникающих в результате реакции, служит хорошее раскисление таким образом, чтобы избытка раскисляющих добавок хватило и для покрытия дополнительного окисления сплава в период между выпуском сплава из печи и заполнением формы. Все предметы, которых касается металл, должны быть сухими, чистыми от ржавчины и окалины, форма же должна заполняться турбулентно.

Меры предупреждения возникновения эндогенных газовых раковин

Меры защиты против эндогенных газовых раковин можно разделить на три группы:

1. Выбор незагазованной шихты и исключение поглощения газов во время плавки.

2. Выбор любой шихты и дегазификация при плавлении или после него.

3. Выбор любой шихты и предохранение от образования газовых раковин во время затвердевания путем установления надлежащих температур или давления.

I группа защитных мер

а) выбор чистой шихты;

б) короткое время плавки;

в) не слишком высокая температура плавления;

г) покрытие ванны, например у сплавов меди, сухим древесным углем;

д) инертная атмосфера в плавильной печи;

е) сухие печная футеровка, присадки, желоб, инструменты и ковши;

ж) герметичные охладительные устройства печи.

Практически все эти меры вытекают из закона Сивертса. Во многих отношениях они имеют специальное значение и проводятся скорее в лабораториях, чем в производственном масштабе. Сущность этой группы мер против эндогенных газовых раковин состоит в том, чтобы загазованность ванны не превысила критического содержания газов (фиг. 132, кривая 1).

II группа защитных мер

Применяют шихту, имеющуюся в распоряжении, а жидкий металл подвергают дегазации в печи или вне ее. Здесь следует различать, какие газы надо удалять - химически или физически связанные. Типичным примером комбинации химической и физической дегазаций служит дегазация стали при основном процессе в мартеновской или электродуговой печи.

После расплавления намеренно забрасывают в ванну железную руду или окалину вместе со шлакообразующими присадками.

При существующей температуре из этих присадок образуется FeO, которая стремится распределиться в надлежащем отношении между шлаком и ванной, растворяясь в последней. FeO в ванне и на поверхности контакта со шлаком реагирует с углеродом стали, образуя СО:

FeO + С> Fe + СО + Q (кал).

В пузыри СО диффундирует водород из ванны. Вместе с пузырями он уходит из ванны, причем на поверхности ванны появляется зыбь. Такое «рудное кипение» поддерживают, забрасывая новые порции железной руды. Когда содержание углерода в ванне соответственно снизится, кипение ослабевает. В конце кипения присаживают ферромарганец.

В период кипения в ванне снижается содержание физически растворенных газов (водорода), однако после кипения в ванне остается много FeO. Если бы она осталась в отливке, отливка получилась бы с эндогенными газовыми раковинами. Удаляют FeO из ванны прежде всего диффузионным раскислением. Со шлакообразующими материалами присаживают сначала молотый кокс, а в конце молотый ферросилиций. Содержания FeO в ванне и в шлаке стремятся довести до определенного соотношения согласно закону распределения Нернста. FeO в шлаке восстанавливается углеродом кокса, вследствие чего ее содержание в шлаке снижается, и в шлак переходят другие порции FeO из ванны. Это неравновесное состояние намеренно поддерживают, продолжая присаживать молотый кокс до тех пор, пока почти вся FeO не перейдет из ванны в шлак. Для этого состояния характерен белый цвет шлака. Последние порции кокса заменяют ферросилицием, чтобы не повышать содержания углерода в ванне.

После диффузионного раскисления идет естественное раскисление. Присаживая элементы с большим сродством к кислороду, а именно кремний и алюминий, разлагают последние остатки FeO, и кислород переходит в стабильные окислы SiO2 и Аl2O3. При избытке раскислителя дополнительное окисление сплава между выпуском и формой не приведет к получению в отливках газовых раковин или ситовидной пористости.

Иногда можно отказаться от диффузионного раскисления и ограничиться естественным раскислением. Конечно, при этом в отливках будет велико количество твердых продуктов раскисления - включений. В таком случае охотно пользуются комплексным раскислителем, например силикомарганцем, алюминием и т. п., что приводит к образованию жидких продуктов раскисления - силикатов, легко коагулирующих и быстро всплывающих в стали.

Физически связанные газы из всех сплавов, как и из стали, удаляются согласно закону Сивертса.

Существует еще способ вымораживания, который основан на очень медленном охлаждении расплава в печи вплоть до начала затвердевания. Содержание газов при этом снижается практически равномерно. Затем сплав быстро нагревают до температуры заливки. При быстром нагреве из-за недостатка времени жидкий металл поглощает лишь незначительное количество новых газов. Этот способ может использоваться при плавлений малых количеств сплава, когда можно быстро поднять его температуру.

Другой способ - двойная плавка - основан на следующем: расплавленный металл заливают в песчаные формы, в которых он медленно затвердевает. Такой металл содержит раковины, т. е. сплав уже, по существу, дегазировался, поскольку при затвердевании выделились физически растворенные газы. Затем разбивают отливки на куски и их вновь расплавляют. На этот раз сплав содержит уже так мало газов, что отливки получаются без раковин. Таким способом пользуются на заводах им. Ленина в Пльзене при производстве отливок из жаропрочных сплавов нимоник.

Проведение плавки под вакуумом ведет к снижению содержания газов, поскольку в этом случае парциальное давление газов в окружающем пространстве р1 = 0. По извлечении сплава из вакуумной печи он вновь поглотит газы. Если бы сплав после выдержки на воздухе заливали под вакуумом, газы выделились бы из сплава.

Сплав можно выплавлять обычным способом и дегазировать, выдерживая в вакууме, а затем заливать при атмосферном давлении. Этим способом пользуются для некоторых цветных сплавов, а также и для стали, которая дегазируется уже при заполнении ковша, находящегося в вакуум-камере. Такой способ запатентован объединением «Бохумер». Сплав, выплавленный, как обычно, и не выдержанный в вакууме, можно дегазировать, заливая его в вакуумированную форму-кокиль (патент Кинского и Эмингера). После заливки вакуум, конечно, снимают.

Сплавы можно дегазировать также посредством вибрации, производимой разными средствами, в том числе ультразвуком. По И. Е. Горшкову при определенной частоте и амплитуде колебаний внутри расплава временно образуются трещинки, через которые диффундирует физически растворенный газ - водород.

Большое значение имеет способ дегазации, часто применяемый для цветных сплавов и состоящий в промывке ванны физически и химически инертными к ней газами, как Kr, Хе, Nе, Не. Но, поскольку эти газы редки, обычно пользуются другими газами, инертными к данному сплаву. Так, например, для алюминиевых сплавов таким газом может быть азот. Однако он образует с алюминием нитриды, и поэтому предпочитают хлор или его соединения, как, например, АlСl3, которые при погружении в расплав превращаются в газ, причем небольшие пузырьки газа густо пронизывают расплав. Сплавы и стали, не содержащие элементов, отличающихся сродством к азоту, как, например, хром, можно также промывать газообразным азотом при температуре ванны до 1600°.

Основное требование - чтобы поверхность контакта сплава с пузырьками промывочного газа и объемная скорость диффузии были возможно больше, т. е. чтобы пузырьки были маленькими и имелись в большом количестве.

Тем самым достигается и сокращение пути диффузии ионов удаляемого газа. Требуемую густоту расположения пузырьков, которые должны пронизывать весь объем сплава, достигают распылением газа погруженным концом вдувной трубки, у которой торцовые отверстия заглушают, а на боковых стенках просверливают много мелких отверстий. Можновоспользоваться промывкой газифицирующейся солью, иногда продувкой газом через пористую стенку-диафрагму.