4 Процессы взаимодействия литейной формы с расплавом

4.1 Газовые раковины и пористость в отливках

В расплавленном состоянии металлы и сплавы способны активно по­глощать значительное количество водоро­да, кислорода, азота и других газов из ок­сидов и влаги исходных шихтовых мате­риалов при их плавке, сгорании топлива, из окружающей среды, при заливке метал­ла в форму и т.д.

В жидких металлах и сплавах раство­римость газов с увеличением температуры повышается. При избыточном содержании газов они выделяются из расплава в виде газовых пузырей, которые могут всплыть на поверхность или остаться в отливке, образуя газовые раковины, пористость или неметаллические включения, снижающие механические свойства и герметичность отливок. При заливке металла движущий­ся расплав может захватывать воздух в литниковой системе, засасывать его через газопроницаемые стенки каналов литни­ковой системы. Кроме того, газы могут проникать в металл из формы при испаре­нии влаги, находящейся в формовочной смеси, при химических реакциях на по­верхности металл – форма и т.д.

Для уменьшения газовых раковин и пористости в отливках плавку следует вести под слоем флюса, в среде защитных газов с использованием хорошо просу­шенных шихтовых материалов. Кроме того, перед заливкой расплавленный ме­талл необходимо подвергать дегазации вакуумированием, продувкой инертными газами и другими способами, а также уве­личивать газопроницаемость форм и стержней, снижать влажность формовоч­ной смеси, подсушивать формы и т.д.

Пригар на поверхности отливок. В процессе заливки, затвердевания и ох­лаждения металл отдает теплоту литейной форме конвекцией, излучением и посред­ством теплопроводности. Чем дольше протекает металл по определенным участ­кам формы и находится в них в жидком состоянии, тем сильнее прогревается по­верхность формы и тем медленнее осты­вает расплав. В результате прогрева фор­мы на поверхности контакта ее с металлом интенсивно развиваются тепловые, физи­ко-химические и механические процессы, протекающие в период заливки, затверде­вания и охлаждения металла. Вследствие этих процессов на поверхности отливки образуется пригар, который представляет собой трудноотделимый от поверхности отливки слой из металла, его оксидов и частичек формовочной смеси. Пригар ухудшает поверхность отливки, увеличи­вает трудоемкость ее очистки, снижает стойкость инструмента при обработке ре­занием. Различают химический и механи­ческий пригары.

Химический пригар образуется на от­ливках в период соприкосновения формы с полузатвердевшим металлом, еще имеющим высокую температуру. Появле­нию химического пригара способствует наличие в формовочной смеси оксидов щелочных и щелочно-земельных метал­лов, образующих с оксидом железа сили­каты с низкой температурой плавления. Эти силикаты могут проникать между песчинками, образуя пригарную корку.

Для уменьшения химического пригара применяют формовочные смеси с мини­мальным содержанием оксидов щелочных и щелочно-земельных металлов; в зависи­мости от сплава вокруг отливки создают либо восстановительную, либо окисли­тельную атмосферу; рабочую поверхность формы покрывают противопригарными покрытиями.

Механический пригар образуется вследствие механического проникания жидкого металла между песчинками на поверхности формы и стержней под дей­ствием напора жидкого металла и капил­лярных сил в процессе его заливки и за­твердевания. Этот вид пригара трудно удаляется с поверхности отливки из-за образования прочной корки, состоящей из формовочной смеси, пропитанной металлом.

Для устранения механического пригара снижают температуру заливки металла; окрашивают формы защитными покрытия­ми; используют облицовочные смеси и т.д.

Кристаллизация сплавов в форме. Залитый в литейную форму металл при охлаждении начинает кристаллизоваться, т.е. образуются кристаллы при переходе из жидкого состояния в твердое. Для образования кристаллов из расплава необхо­димы зародыши, или центры, кристалли­зации, которые могут образовываться са­мопроизвольно; в качестве центров кри­сталлизации могут служить примеси, об­разующиеся в расплаве из продуктов ре­акций плавки металла в печи. Условия протекания кристаллизации определяют структуру и свойства сплава и отливки. Чем больше центров кристаллизации, тем мельче будут кристаллы, и наоборот. Структура отливок зависит от условий плавки; примесей, содержащихся в сплаве; способа подвода расплава в форму и ох­лаждения отливки в форме; интервала кристаллизации и других факторов. Зная влияние различных факторов на процесс кристаллизации сплавов, можно направ­ленно изменять кристаллическое строение отливок, улучшая их свойства.

Напряжения в отливках. В отливках в результате неравномерного затвердева­ния тонких и толстых частей и торможе­ния усадки формой при охлаждении воз­никают напряжения. Эти напряжения тем выше, чем меньше податливость формы и стержней. Если величина напряжений превысит предел прочности литейного сплава в данном участке отливки, то в те­ле ее образуются горячие или холодные трещины. Если литейный сплав имеет достаточные прочность и пластичность и способен противостоять действию возни­кающих напряжений, искажается геомет­рическая форма отливки.

Горячие трещины в отливках возни­кают в процессе кристаллизации и усадки металла при переходе из жидкого состоя­ния в твердое при температуре, близкой к температуре солидуса. Горячие трещины проходят по границам кристаллов и имеют окисленную поверхность.

Склонность сплавов к образованию горячих трещин увеличивается при наличии неметалличе­ских включений, газов (водорода, кисло­рода), серы и других примесей. Кроме того, образование горячих трещин вызы­вает резкие переходы от тонкой части от­ливки к толстой, острые углы, выступаю­щие части и т.д. Высокая температура за­ливки способствует увеличению зерна металлической структуры и увеличению перепада температур в отдельных частях отливки, что повышает вероятность обра­зования трещин.

Для предупреждения возникновения горячих трещин в отливках необходимо создавать условия, способствующие фор­мированию мелкозернистой структуры; обеспечивать одновременное охлаждение тонких и толстых частей отливок; увели­чивать податливость литейных форм; по возможности снижать температуру залив­ки сплава.

Холодные трещины возникают в об­ласти упругих деформаций, когда сплав полностью затвердел. Тонкие части от­ливки охлаждаются и сокращаются быст­рее, чем толстые. В результате в отливке образуются напряжения, которые и вызы­вают появление трещин. Холодные тре­щины чаще всего образуются в тонко­стенных отливках сложной конфигурации и тем больше, чем выше упругие свойства сплава, чем значительнее его усадка при пониженных температурах и чем ниже его теплопроводность. Опасность образования холодных трещин в отливках усиливается наличием в сплаве вредных примесей (на­пример, фосфора в сталях).

Для преду­преждения образования в отливках холод­ных трещин необходимо обеспечивать равномерное охлаждение отливок во всех сечениях путем использования холодиль­ников; применять сплавы для отливок с высокой пластичностью; проводить отжиг отливок и т.п.

Коробление – изменение формы и раз­меров отливки под влиянием напряжений, возникающих при охлаждении. Коробление увеличивается при усложнении конфигурации отливки и повышении скорости охлаждения, что вызывает неравномерное охлаж­дение между отдельными частями отливки и различную усадку. Коробление отливки может быть также вызвано сопротивлением формы усадке отдельных частей отливки. Для предупреждения короблений в отливках необходимо увеличивать податливость формы; создавать рациональную конструк­цию отливки и т.д.