Заполнение формы жидким металлом.

Началом первой стадии формирования отливки считают момент соприкосновения первых капель жидкого металла с формой. Концом первой стадии – момент окончания заливки. С этого момента начинается процесс формирования основных свойств отливки. Длительность первой стадии зависит от размеров отливки, её конфигурации и режима, заданного технологом. Движение металла на первой стадии осуществляется принудительно.

В течение первой стадии (τ 1) происходит заполнение формы жидким металлом, охлаждение металла в форме, образование корочки металла толщиной (ε 1) и нагрев формы. Толщина образующейся корочки зависит от времени и определяется по формуле:

ε 1=κ √ τ

где κ - постоянная величина, получившая название константы затвердевания.

Первый этап формирования отливки соответствует заполнению формы расплавленным металлом. Вследствие того, что поток металла в форме является турбулентным, происходит выравнивание температуры по всему сечению отливки. Протекающий металл, охлаждаясь от температуры перегрева до температуры окончания заливки, сильно разогревает форму, поэтому последующие стадии охлаждения отливки происходят медленнее.

На первой стадии процесса при определённых условиях (при небольшом перегреве или при интенсивном охлаждении) может образовываться корка затвердевшего металла.

Характер заполнения литейной формы расплавом определяется устройством литниковой системы, площадью сечения и расположением питателей, устройством вентиляционной системы.

В процессе заполнения литейной формы в отливках создаются условия образования таких дефектов, как газовые и неметаллические включения, неслитины, усадочные раковины и другие.

При заполнении формы жидким металлом форма прогревается неравномерно. Нижняя часть формы, особенно при сифонном подводе металла прогревается больше, чем верхняя. Поэтому создаются условия для образования усадочных дефектов. Избежать образования дефектов удаётся либо за счёт установки прибылей для питания «тепловых узлов» отливки, либо за счёт рассредоточенного подвода металла, обеспечивающего равномерное затвердевание отливки.

Длительность первого этапа процесса составляет 2-3% от общего времени формирования отливки и определяется технологическим расчётом при определении размеров литниковой системы. Первая стадия процесса может сопровождаться образованием затвердевшей корки в направлении отвода теплоты.

В течение второго этапа жидкий металл охлаждается от температуры окончания заливки до температуры кристаллизации. Турбулентное перемешивание металла в этот период прекращается, но за счёт конвективного перемешивания металла происходит выравнивание температур по сечению отливки. Скорость затвердевания и дальнейшего охлаждения отливки в значительной степени зависит от степени перегрева металла и продолжительности заливки.

На этой стадии формируются условия зарождения и роста кристаллов.

Характер последующего затвердевания отливки будет зависеть от наличия дополнительных включений в расплаве и от скорости отвода теплоты от отливки. Скорость отвода теплоты от отливки зависит от теплопроводности формы и от конфигурации отливки. Тонкие сечения отливки остывают быстрее, чем массивные.

Длительность второй стадии процесса составляет 5-10% времени охлаждения отливки. Эта стадия также может сопровождаться затвердеванием корки.

Признаком окончания второй стадии процесса является достижение средней частью отливки температуры затвердевания (для чистых металлов) или температуры ликвидуса (если металл кристаллизуется в интервале температур).

Третья стадия охлаждения отливки соответствует затвердеванию металла.

Эту стадию формирования отливки следует считать основной стадией формирования отливки. Если металл затвердевает при постоянной температуре (чистые металлы и эвтектические сплавы), то отливка в каждый данный момент состоит из двух зон - твёрдой и жидкой. Если металл затвердевает в интервале температур (сплавы), то в отливке можно выделить три зоны: твёрдую, жидкую и переходную. В этом случае затвердевание металла сопровождается понижением температуры отливки от ликвидуса до солидуса.

Конец третьей стадии определяется по признаку начала снижения температуры центральной части отливки ниже температуры солидуса.

Общая длительность первых трёх стадий охлаждения отливки составляет τ 3.

В момент полного затвердевания оливки толщина затвердевшей корки ε 3 составляет половину толщины плоской отливки.

Затвердевание металлов и сплавов происходит в результате зарождения и роста кристаллов в охлаждающемся расплаве. От количества, скорости роста и формы кристаллов, их преимущественной ориентации в теле отливки зависят её кристаллическое строение и, следовательно, важнейшие технологические и служебные свойства.

Затвердевание расплава в форме сопровождается процессами, которые приводят к образованию дефектов отливки, снижающих её качество. Главные дефекты: химическая неоднородность, усадочные и газовые раковины, горячие и холодные трещины, коробление. Поэтому управление процессами кристаллизации сплава в литейной форме является важной технологической задачей.

Затвердевание расплава начинается образованием у стенок формы центров кристаллизации или фронта начала затвердевания, соответствующей изотерме ликвидуса; через некоторое время вслед за первым фронтом движется второй фронт конца затвердевания, соответствующий температуре солидуса или концу эвтектической температурной остановки.

Чтобы процесс кристаллизации жидкого металла начался самопроизвольно, необходимо некоторое переохлаждение. Степень переохлаждения гомогенного расплава для самопроизвольного образования центров кристаллизации составляет примерно 20% от равновесной температуры кристаллизации. Однако в обычных условиях в расплаве присутствуют посторонние частицы, которые значительно облегчают образование центров кристаллизации и затвердевание происходит при переохлаждении расплава лишь на несколько градусов.

Во время затвердевания расплава фронт кристаллизации перемещается от периферии внутрь отливки. В зависимости от интервала кристаллизации создаются различные условия формирования отливки. Величина интервала кристаллизации определяет механизм затвердевания отливки (последовательное или объёмное). Внутри интервала кристаллизации образуются горячие трещины. От величины интервала кристаллизации зависит характер усадочных раковин—возникновение усадочной пористости или сосредоточенной раковины.

Существенное воздействие на характер кристаллизации сплава в отливке оказывают различного рода модификаторы, микрохолодильники, вибрация, ультразвук и т.п. Таким образом, имеется достаточно широкий спектр способов управления кристаллическим строением отливки, её свойствами.

Обширные исследования показали, что с увеличением скорости кристаллизации увеличивается число кристаллических зёрен в отливке. Это, в свою очередь приводит к измельчению кристаллического зерна и к повышению механических свойств. Возможность управления характером кристаллизации сплава в отливке широко используется в технике. Например, лопатки газовых турбин, отлитые при односторонне направленном отводе теплоты таким образом, чтобы рост кристаллов был направлен вдоль действия главных растягивающих напряжений, обладают ресурсом работы в 4-5 раз большим, чем лопатки с обычным кристаллическим строением.

Время затвердевания стенки отливки в песчано-глинистой форме определяется по известной формуле:

qкр•γ •R

√ τ кр=0, 886, где

b•(Ткр- Тнач)

qкр – удельная теплота кристаллизации сплава, серого чугуна (64 ккал/кг);

γ - плотность сплава, (7200 кг/м³);

R -- приведенный радиус отливки, соответствующий половине толщины стенки отливки (0, 062);

b – коэффициент тепловой аккумуляции сплава,

Ткр -- температура кристаллизации сплава, (1170 º С);

Тнач -- начальная температура сплава. (20 º С).

Четвёртая стадия охлаждения отливки начинается после её полного затвердевания.

При этом в отливке происходят определённые фазовые и структурные превращения. Появляются термические напряжения в металле, холодные трещины и другие явления. Четвёртая стадия заканчивается в момент удаления отливки из формы.

В случае, если отливка имеет сложную разностенную конфигурацию, тонкие стенки будут остывать быстрее, чем толстые, и в зоне температур перехода чугуна из пластического состояния в упругое (700-400°С) в толстых стенках из-за затруднённой усадки возникают термические напряжения, которые могут привести к короблению или к холодным трещинам. Поэтому для уменьшения остаточных напряжений необходимо в этом интервале температур равномерное остывание всех частей отливки.

Пятая стадия охлаждения отливки происходит после удаления отливки из формы. В течение пятой стадии в отливке могут происходить различные структурные превращения, изменяться напряжения и др.

Пятая стадия заканчивается при достижении отливкой температуры окружающей среды. Роль окружающей среды по отношению к отливке могут играть воздух цеха, специальные колодцы, печи и другие устройства.

Пятая стадия охлаждения отливки в принципе не отличается от четвёртой. Разница заключается лишь в уровнях температур металла и в условиях охлаждения поверхности отливки.

После выбивки отливки из формы и охлаждения производится обрубка, т.е. удаление прибылей, литниковой системы, выпоров, заливов. Обрубку производят газовой либо механической резкой. Места обрубки зачищают шлифовальными кругами, газопламенной обработкой и т.п. С поверхности отливок удаляют пригар и остатки формовочной смеси.

3.2. Технологические способы воздействия на процессы