Особенности охлаждения и затвердевания отливок в поле центробежных сил

При изготовлении отливок со свободной поверхностью расплав охлаждается в изложнице неравномерно по объему. Часть теплоты отводится от расплава через стенку изложницы и ее крышку, а часть – конвекцией и излучением со стороны свободной поверхности. Количество теплоты, отводимое в воздушное пространство от свободной поверхности отливки, значительно. Воздух, находящийся в полости отливки, вовлечен в процесс вращения и находится в постоянном движении. Вдоль оси вращения на смену нагретому воздуху поступают порции холодного. Более интенсивная циркуляция воздуха наблюдается в случае вращения формы с расплавом вокруг вертикальной оси вследствие естественного подъема горячего воздуха вверх.

Подобная неравномерность охлаждения, особенно толстостенных отливок, приводит к возникновению конвективных потоков в расплаве: охлажденный и более плотный расплав перемещается от свободной поверхности внутрь затвердевающей отливки, а горячий и менее плотный – наружу. Поэтому конвективные потоки в расплаве циркулируют в радиальном направлении (рисунок 6.4, а). В условиях центробежного литья это явление наблюдается даже при небольшом различии температур и плотностей металла, так как действующие в этой системе силы возрастают пропорционально величине гравитационного коэффициента. Это способствует направленному затвердеванию отливки в радиальном направлении, которое выражено тем сильнее, чем больше угловая скорость вращения формы.

При направленном затвердевании от стенок изложницы фронт растущих в радиальном направлении кристаллов находится под значительным избыточным давлением расплава, обусловленным действием поля центробежных сил. Вследствие этого кристаллы растут в направлении поступающего расплава (рисунок 6.4, б), поэтому они несколько наклонены в сторону по направлению вращения. Давление, развиваемое при вращении расплава, способствует прониканию его в межкристаллитные пространства, что улучшает питание затвердевающей отливки и увеличивает ее плотность. Свободная поверхность расплава затвердевает в последнюю очередь и при горизонтальной оси его вращения форма свободной поверхности остается геометрически правильной – цилиндрической.

Рисунок 6.4 – Схема возникновения конвективных потоков (показаны фигурными стрелками) во вращающемся затвердевающем расплаве (а) и схема кристаллического строения отливки (б): l₀ – глубина расположения усадочной пористости; стрелкой показано направление вращения изложницы.

Инородные частицы (газы, шлак и т.д.), плотность которых меньше плотности расплава, при центробежном литье с большой скоростью всплывают на свободную поверхность расплава. Это приводит к необходимости назначать большие припуски на обработку свободных поверхностей отливок, что является недостатком данного способа литья.

Таким образом, при направленном затвердевании можно получить отливки с плотным строением тела, без усадочных дефектов и инородных включений. Однако центробежные силы способствуют направленному затвердеванию только в тех случаях, если выделяющиеся на свободной поверхности кристаллы твердой фазы имеют большую плотность, чем плотность остального расплава.

Для большинства литейных сплавов это условие соблюдается. Исключение составляют два случая:

· когда сплав затвердевает с увеличением объема, например, серый чугун;

· когда выделяющиеся из жидкого металла кристаллы обогащены компонентами сплава, имеющими меньшую плотность, чем оставшийся расплав. Такое явление наблюдается, например, при затвердевании заэвтектических силуминов. В этом случае при содержании кремния в силуминах более 11,7 %, первичные кристаллы обогащены кремнием, плотность которого меньше плотности алюминия. Если эти более легкие кристаллы зародились и выросли на свободной поверхности, то они там и останутся. Если кристаллы зародились в переохлажденном расплаве, за счет разности плотностей расплава и твердой фазы они всплывают. В результате отливка затвердевает от стенок изложницы и со стороны свободной поверхности, и к концу затвердевания вследствие недостатка питания внутри отливки образуются усадочные поры. В этом случае, чем быстрее вращается форма, тем интенсивнее выносятся кристаллы на свободную поверхность и тем глубже располагается усадочная пористость.

Усадочная пористость под свободной поверхностью наблюдается также при изготовлении толстостенных отливок (рисунок 6.4, б). В тонкостенных отливках большой протяженности глубина расположения зоны усадочной пористости l меньше. Это объясняется соотношением скоростей охлаждения со стороны наружной и внутренней поверхностей отливки. Чем меньше скорость охлаждения внутренней поверхности отливки и больше скорость охлаждения ее со стороны наружной поверхности – тем меньше глубина l.

Скоростью охлаждения отливки можно управлять. Так, с наружной стороны это достигается путем изменения толщины слоя или теплофизических свойств огнеупорного покрытия, изменением скорости охлаждения формы. Со стороны внутренней поверхности с этой целью можно использовать сыпучие огнеупорные материалы или экзотермические смеси.

Таким образом, особенности формирования обливки при центробежном литье сопряжены как с большими преимуществами, так и с недостатками. К преимуществами этого способа можно отнести: возможность улучшения заполняемости форм расплавом под действием давления, развиваемого центробежными силами; повышение плотности отливок вследствие уменьшения количества усадочных пор, раковин, газовых, шлаковых и неметаллических включений; уменьшение расхода металла и повышение выхода годного, благодаря отсутствию литниковой системы при изготовлении отливок типа труб, колец, втулок или уменьшению массы литников при изготовлений фасонных отливок; исключение затрат на стержни при изготовлении отливок типа втулок и труб.

Недостатками способа являются: трудности получения отливок из сплавов, склонных к ликвации; загрязнение свободной поверхности отливок неметаллическими включениями; неточность размеров и необходимость повышенных припусков на обработку свободных поверхностей отливок, вызванная скоплением неметаллических включений в материале отливки вблизи этой поверхности и отклонениями точности дозы расплава, заливаемого в форму.

Наивысшие технико-экономические показатели центробежного способа литья достигаются при получении пустотелых цилиндрических отливок с различными размерами и массой (длиной до нескольких метров и массой до нескольких тонн): труб разного назначения из чугуна, стали, цветных и специальных сплавов; втулок и гильз для стационарных и транспортных дизелей; колец подшипников качения и др. Большое распространение получило центробежное литье для изготовления биметаллических изделий, изделий из сплавов с низкой жидкотекучестью и высоким поверхностным натяжением, при необходимости получения тонкостенных отливок со сложной геометрией и микрорельефом поверхности. К ним относятся, например, турбинные диски с лопатками, отливки художественного и ювелирного назначения.

52. Сущность и область применения метода литья выжиманием.

Литье выжиманием

Для улучшения заполнения формы и повышения качества отливки процесс литья осуществляют так, чтобы геометрические размеры полости формы изменялись по мере заполнения ее расплавом и затвердевания отливки. Это позволяет уменьшить потери теплоты расплавом и заполнять формы тонкостенных крупногабаритных отливок, а также осуществлять компенсацию усадки отливки путем уменьшения ее объема при кристаллизации.

Первая из указанных особенностей формирования и в значительной мере вторая реализуются при литье выжиманием тонкостенных крупногабаритных отливок. Процесс может быть реализован по двум схемам: поворотом подвижной полуформы вокруг неподвижной оси (рисунок 7.5, а) и плоскопараллельным перемещением одной или двух подвижных полуформ (рисунок 7.5, б).

Рисунок 7.5 – Схемы технологических процессов литья выжиманием: а – поворотом подвижной полуформы; б – плоскопараллельным перемещением полуформ (показано стрелками)

После подготовки и сборки формы расплав заливают в нижнюю часть (металлоприемник) литейной установки (этап 1). Затем подвижную полуформу поворачивают (этап 2) и расплав поднимается в установке, заполняя полость между полуформами и боковыми стенками, закрывающими установку с торцов. В начальный момент сближения полуформ конфигурация объема расплава такова, что потери им теплоты в форме минимальны. В момент окончания сближения полуформ (этап 3) расстояние между ними соответствует толщине тела отливки, а движение излишка расплава, сливающегося из установки в приемный ковш, способствует уменьшению потерь теплоты и хорошему заполнению форм отливок с весьма малой толщиной стенки (до 2 мм) при значительных габаритных размерах (до 1000 x 3000 мм). После затвердевания отливки подвижная полуформа возвращается в исходное положение, а отливка извлекается из установки.

Отливки, полученные литьем выжиманием, имеют хорошие показатели структуры и механических свойств благодаря тому, что формирование отливки происходит одновременно с заполнением литейной формы и заканчивается в основном в момент завершения ее заполнения. Это обеспечивает питание затвердевающей отливки. Таким способом получают отливки из алюминиевых сплавов АК7, АК9 и др.

53. Разновидности и особенности непрерывного литья.

54. Операции, выполняемые формовочными и стержневыми машинами. Классификация формовочных и стержневых машин по методам уплотнения, извлечения модели из формы, роду привода.