книги из ГПНТБ / Разумов, В. Н. Технология литейного производства учеб. пособие

Рис. 57. Возможные пути удаления газов из стенок форм и стержней

рсф< 2 р = рме+ р г + ра,

где рсф — давление газов в стенке формы или стержня; рме— металлостатический напор; рг — давление газов в полости формы над распла­

верхностного натяжения расплава в момент внедрения в него газового пузырька.

В начальный момент заливки, принимая толщину струи расплава над поверхностью формы от 1 до 3 мм, будем иметь для чугунных отливок рые от 70 до 200 Н/м2.

Давление газов в полости формы при гравитацион­ ной заливке не должно превышать 100—300 Н/м2.

Давление поверхностного натяжения ра зависит от

свойств расплава и радиуса газового пузырька. При вы­ делении газов в виде сплошной пленки между формой и расплавом гг пузыря-»-00 и ра ->0. Однако в этом случае

газы обычно попадают не в расплав, а в полость формы, перемещаясь вдоль стенки формы. Когда газы выделя­ ются из стенки формы в виде отдельных пузырьков ре для чугунного литья колеблется от 1200 до 4000 Н/м2 (по оценке Я. И. Медведева и П. П. Берга). По мере охлаждения расплава рб увеличивается, а при появлении затвердевшей корки металла — возрастает до бесконеч­ ности.

130

Учитывая сказанное, можно рассчитать Ер для всего периода заливки и построить соответствующие кривые, как показано на рис. 58. В чугунном литье для началь­ ного момента при выделении газов в виде отдельных пу­ зырьков будем иметь Ер = (70—210) + (100—300) + + (1200—4000) Н/м2.

/>

Рис. 58. Характер изменения 'Zp во время заливки для различных точек формы

Необходимо подчеркнуть, что под начальным момен­ том следует понимать не начало заливки, а начало кон­ такта расплава с поверхностью формы или стержня в заданной точке.

Замеры газового давления в стенках форм и стерж­ ней, проведенные Я. И. Медведевым и В. К. Кузовковым на отливках головок блока двигателя ДТ-54, показали, что наиболее опасно выделение газов из стержней, когда газоотвод из них затруднен. Так, в сырой верхней стен­ ке формы головки блока газовое давление не превыша­ ло 800 Н/м2, а в стержнях той же формы оно доходило до 25000 Н/м2, превышая допустимое почти в 10 раз. В результате во время заливки наблюдался прорыв га­ зов через расплав, так называемый «вскип». Давление газов в этот момент быстро падало и вновь нарастало, прорыв газов повторялся. Было замечено, что при вскипе, проходившем более 4—5 с отливки становились не­ годными, пораженными грубыми газовыми раковинами и сквозными свищами.

Изменение давления газов в стенке формы рсф во времени изучено еще недостаточно. Некоторые исследо­ ватели считают, что рСф та* наступает мгновенно при кон­

такте формы с расплавом, затем падает и вновь возрас­ тает, образуя второй максимум. Но есть и другая точка зрения, когда принимается, что рсф возрастает от 0 до максимума только один раз. Если изобразить возмож­ ные случаи изменения рсф графически совместно с то мы получим, как показано на рис. 59, два основных

варианта: а — допустимые случаи, обеспечивающие по­ лучение отливок без газовых раковин; б — недопустимые случаи, когда отливки поражаются газовыми ракови­ нами.

Какие же технологические выводы следуют из ана­ лиза газового режима в системе металл—форма?

Прежде всего следует выплавлять металл для фа­ сонных отливок с меньшим содержанием растворенных газов. В противном случае расплав, дополнительно на­ сытившись газами в литейной форме, выделит их в виде газовых пузырей в период затвердевания.

В идеально чистых расплавах образование зароды­ ша газового пузыря затруднено. Малый радиус зароды­ ша приводит к тому, что резко возрастает ра. Напри­ мер, для зародыша СО , радиусом в ІО-7 см рц более 500 МН/м2. Такого давления выделяющиеся из расплава газы создать не могут, поэтому возникновение газовых зародышей в чистых расплавах невозможно. Однако з реальных сплавах, особенно в период затвердевания, появляются микроусадочные поры, активные участки растущих дендритов и другие участки, способные слу­ жить зародышами газовых пузырей. В результате газо­ вые раковины располагаются достаточно равномерно по всему сечению стенок отливок, что и является отличи­

132

тельным признаком газовых раковин, образованных га­

зами металла.

Не менее важно предусмотреть вывод газов из поло­ сти формы. Газоотводные каналы из полостей песчаных форм называют выпорами. Их формуют с помощью спе­ циальных, чаще всего цилиндрических, моделей, устанав­ ливая на самых высоких точках модели отливки. В ме­ таллических формах газоотводные каналы большей ча­ стью делают плоскими, располагая по разъему формы. В отдельных случаях газоотводными каналами служат так называемые венты. Они представляют собой встав­ ные пробки, снабженные узкими прорезями, или сделан­ ные с повышенной пористостью.

Для расчета площади сечения выпоров и плоских газоотводных каналов можно использовать уравнение Сен-Венана для адиабатического истечения газа из со­ суда через отверстие. Напомним, что это уравнение по­ лучено из классического уравнения Бернулли и имеет вид

Если ввести в расчет коэффициент потерь р, окон­ чательно получим

133

При пользовании этим уравнением необходимо пом­ нить, что весовой расход газа при истечении G меняется

от 0 при — = 1 до максимального при достижении кри-

Рі

тического режима, когда

k £*_ = / 2 \fe-i

Pi U + 1/

Для воздуха k = 1,405 и — крит^0,53.

Рі

Взакритическом режиме истечения весовой расход уже не меняется.

Впесчаных формах очень трудно установить вес удаляемого через выпоры газа, т. к. часть газов из стен­

ки формы проникает в полость формы над расплавом и часть газов из полости формы удаляется через поры стенки. Поэтому приведенный метод расчета для песча­ ных форм обычно не применяют, а пользуются практи­ ческой рекомендацией А. Г. Спасского, принимая 2/вып^2/питателейДиаметр каждого отдельного выпора выбирают равным

отл>

где бОТл— толщина стенки отливки в зоне установки выпора.

Следует заметить, что выпоры не могуі выполнять роль прибылей и их нельзя делать более массивными, чтобы избежать опасности образования усадочной ра­ ковины под выпором. С другой стороны, при наличии от­ крытой прибыли, установленной в верхней части отлив­ ки, дополнительно устанавливать выпор не требуется.

При изготовлении отливок в металлических формах без применения песчаных стержней, например, при литье под давлением, расчет газоотводных каналов ведут по уравнению Сен-Венана, предварительно приведя его к более удобной форме. А. К. Белопухов для закритпческого режима истечения предлагает следующее расчет­ ное уравнение

134

р— коэффициент потерь напора в газоотводном канале.

А. И. Вейник предпочитает в основу расчета поло­ жить допустимое давление воздуха в пресс-форме в кон­ це заливки. В результате его расчетная формула полу­

чает вид

Учитывая некоторые неточности расчетов по при­ веденным уравнениям, коэффициент р принимают обыч­ но от 2 до 4 и сверяют расчет с практическими правила­ ми конструирования:

— толщину газоотводного канала в зависимости от свойств расплава принимают от 0,1 до 0,5 мм, обеспе­ чивая себя от прорыва расплава через газоотводной канал;

— ширину всех газоотводных каналов принимают такой, чтобы они охватывали половину периметра поло­ сти формы по плоскости разъема.

В кокильном литье, если газоотводные каналы дела­ ются на боковых гранях полости формы, пользуются этими же правилами. Если же газоотводной канал рас-

135

полагается на самой высокой точке отливки, то его це­ лесообразнее делать подобным выпору песчаной формы. Правда, для получения в одной половине кокиля се­ чение его берут плоским или полукруглым. В результате типичные конструкции выпоров и газоотводных каналов приобретают вид, показанный на рис. 60.

Рис. 60. Примерные конструкции выпоров и газоотводных каналов литейных форм

Наконец, необходимо так конструировать и изготов­ лять стержни и формы, чтобы при заливке не происхо­ дило вскипа, т. е. добиваться снижения рс ф.

Расчет избыточного давления рс ф для простейшего случая проведен Я. И. Медведевым и П. П. Бергом. Рас­ сматривая одномерный поток газа через поры стенки формы в прямолинейной трубке тока с постоянным сече­ нием ДF на постоянное расстояние I при сохранении неизменными температуры газа Тти газопроницаемости стенки формы k, а также при равномерном перепаде дав­ ления они получили право написать

Pep (V + dV) — V (рср + dpcp),

так как в рассматриваемом случае рср -- Р + Ро

Изменение объема газа в порах стенки формы dV определяется скоростью газовыделения в рассматривае­ мой трубке тока

dV' = ^ d x

2V т

136

и скоростью удаления газа фильтрацией его через стен­ ку. Последнюю можно для нашего случая найти с по­ мощью уравнения Дарси

у " _= kAF (р — pp) т

Подставив значение d V = d V —dV " и произведя со­ ответствующие математические преобразования, полу­ чаем

Полученный результат позволяет определить, что для снижения рСф в распоряжении технолога имеются следующие средства:

—уменьшение газотворности формовочной смеси, характеризуемой коэффициентом а;

—увеличение газопроницаемости формовочной сме­ си, определяемой с помощью коэффициента k\

—уменьшение пути фильтрации газа через стенку формы I.

Уменьшение газотворности формовочной смеси за счет рационального подбора ее состава будет изу­ чаться позже в разделе «Формовочные материалы и сме­ си». Пока же можно указать на одно из важных пра­ вил: надо вводить в смеси минимально необходимое ко­ личество газообразующих веществ. Обычно содержание органических веществ не превышает 5%, и влажность смесей для сырой формовки выдерживают от 4% в зим­ нее время, до 6% — в жаркое летнее время.

137

Газопроницаемость формовочной смеси; как следу­ ет из уравнения Дарси, равна

уменьшения сопротивления фильтрации через смесь. Последнее можно обеспечить увеличением пористости, т. е. применив более крупный песок и уменьшив его уп­ лотнение, а также созданием более гладких пор, т. е. применив пески с округлыми зернами и уменьшив коли­ чество пылевидных частиц в смеси. Но в формы с повы­ шенной пористостью проникнет не только газ, но и рас­ плав металла, поэтому увлекаться этим способом нель­ зя. Надо согласовывать газопроницаемость смеси с ее газотворностью, стремясь к применению смесей с малым коэффициентом а и нижним допустимым коэффициен­ том k.

Чтобы оценить эффективность уменьшения пути фильтрации газа через стенку формы Ю. П. Васин и П. В. Черногоров предложили ввести понятие о газо­ проницаемости стенки формы L, взяв ее равной

Экспериментальная проверка зависимости L от тол­ щины стенки формы х2, проведенная Ю . П. Васиным

и3. М. Васиной (см. рис. 61), показала:

—при постоянном перепаде давления р—ро газо­ проницаемость стенки формы L при уменьшении толщи­

ны стенки увеличивается по параболическому закону сначала медленно, а затем, когда стенка формы стано­ вится по толщине меньше 100 мм, быстро;

— при уменьшении перепада давления р—ро в п раз для получения той же газопроницаемости стенки фор­ мы L надо уменьшать ее толщину в те же п раз.

Таким образом, подтверждена высокая эффектив­ ность уменьшения толщины стенки формы от 100 до 5—20 мм. В практике литейного производства этот путь борьбы с газовыми раковинами в отливках исполь­ зуется давно. Так, при формовке крупных стержней

138

смесь слоем в 30—50 мм, а в очень крупных стержнях слоем в 60— 100 мм, располагают около стенок стержне­ вого ящика, а остальную внутреннюю часть стержня заполняют кусковым пористым материалом: горелым коксом, шлаком, керамзитом и т. и. В мелких стержнях различными методами устраивают газоотводные каналы внутри стержневой смеси. В последнее время широко применяют оболочковые стержни с толщиной стенок

от 5 до 20 мм.

Для уменьшения пути фильтрации газа в стенках форм применяют несколько способов. При ручной фор­ мовке чаще всего делают наколы специальной иглой. Наколы доводят почти до поверхности модели отливки, проводя их параллельно ожидаемому току газов. По дан­ ным Ю. П. Васина достаточно площадь сечения наколов иметь равной 2—3% от площади контакта металла с формой. Кроме того, в стенках опок и подопочных плит делаются газоотводные отверстия. При изготовлении крупных форм в их стенки заделывают перфорирован­ ные газоотводящие трубы, иногда заформовывают мо­ чальные канаты или горелый кокс. В формах машинной формовки применяют глухие газоотводы, выполняемые с помощью моделей, смонтированных вместе с моделью отливки.

Некоторые примеры способов улучшения газоотвода через стенки форм и стержней показаны на рис. 61.

L

Рис. 61. Зависимость L от х2 и некоторые способы улуч­ шения газоотвода через стенки форм и стержней

139