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

более отдельных литниковых систем в одной форме с за­ ливкой металла из двух и более ковшей одновременно или в заданной последовательности. Для сложных отли­ вок, где литниковая система может послужить причиной возникновения больших внутренних напряжений, приво­ дящих к появлению трещин в отливке, часто делают литниковую систему легко деформируемой. Для этого от чаши отводят короткий стояк к шлакоуловителю, а от последнего — еще два стояка к горизонту подвода рас-

Рис. 23. Предварительный вариант литниковой системы для программированной автоматической заливки и график для расчета сифонного затвора

плава в полость формы. В другом варианте легко дефор­ мируемая литниковая система выполняется с помощью чаши, стояка и изогнутого подобно камертону шлако­ уловителя с питателями, отведенными отдельно от каж­ дой ветви шлакоуловителя.

В заключение следует отметить, что все рассмотрен­ ные литниковые системы не рассчитаны на программи­ рованную с переменным удельным расходом <jv подачу расплава в полость формы. По мнению автора, для про­ граммированной автоматической заливки надо литнико­ вые системы рассчитывать на подачу максимально необ­ ходимого для данной отливки удельного количества расплава q v ■ Литниковую систему при этом надо выпол-

50

пять так, чтобы все ее каналы при уменьшении подачи расплава из ковша работали бы в режиме незаполнен­ ных каналов, а для удержания шлака применять сифон­ ные гидравлические затворы в сочетании со шлаковы­ порами. Следует подчеркнуть, что окончательно конст­ рукцию новой литниковой системы для автоматической программированной заливки можно рекомендовать толь­ ко после тщательной проверки ее на гидромодели и в натуре при изготовлении отливок. Предварительный ва­ риант такой литниковой системы показан на рис. 23. На том же рисунке приведен график зависимости скоро­ сти всплывания или погружения шлаковых частиц на входной ветви сифонного затвора в зависимости от диа­ метра частиц и скорости стекания расплава в сифон.

Пользуясь этим графиком, можно рассчитать пло­ щадь сечения входной ветви сифонного затвора. Все ос­ тальные элементы такой системы рассчитывают обыч­ ным методом на пропуск максимального для данной от­ ливки удельного количества расплава.

ЛИ Т Е Р А Т У Р А

Гр у з и н В. Г. Температурный режим литья стали, Металлургиздат, 1962.

алюминиевых сплавов, Сб. «Фасонное литье алюминиевых сплавов». Машгиз, 1953.

Ш а р о в В. М ., Г а л д и н Н. М . Влияние турбулентности по­ тока на образование загрязненности в алюминиевых сплавах, «Ли­ тейное производство», № 1, 1971.

расчет скорости заливки с учетом охлаждения жидкого металла в форме, «Литейное производство», № 8, 1958.

С п а с с к и й А. Ф., Р ы ж и к о в А . А. Оптимальные условия заливки формы для получения высококачественных отливок, Сб. «Но­

4*

51

Ч Е Т В Е Р Т А Я Т Е Т Р А Д Ь

УСАДОЧНЫЕ ПРОЦЕССЫ ПРИ ЗАТВЕРДЕВАНИИ МЕТАЛЛА, РАСЧЕТ

ИКОНСТРУИРОВАНИЕ ПРИБЫЛЕЙ

Ихолодильников

ЗАТВЕРДЕВАНИЕ МЕТАЛЛА И ОБРАЗОВАНИЕ УСАДОЧНЫХ РАКОВИН

Металл из жидкого состояния в твердое в литейной форме переходит при непрерывном теплоотводе, пере­ ход сопровождается рядом явлений. В данном разделе рассматриваются общие закономерности превращения жидкого расплава в твердое состояние и связанное с этим образование усадочных раковин и пор.

Металлы и сплавы затвердевают в результате про­ цесса кристаллизации, закономерности которого изуча­ ются физическим металловедением. Реальный процесс кристаллизации чистого металла, как показали Н. Г. Гиршович, Ю . А. Нехендзи и В. Я- Билык, прохо­ дит при соблюдении теплового баланса

— удельная теплоемкость металла.

Отливки в литейной форме формируются при нера-

53

может соблюдаться только при непрерывном изменении переохлаждения жидкого металла АТ. Расчеты показы-

вают, что характер изменения — , AI и — /р в пе-

риод кристаллизации имеет вид, приведенный на рис. 24. Таким образом, чистые металлы в реальных условиях кристаллизуются при непрерывно изменяющемся пере-

Рис. 24. Характер изменения

dQ

теплоотвода — , выделе- dx

ния теплоты кристаллизации

dx

—— Iр и переохлаждения dx

Д Т для чистого металла

охлаждении АТ, роль которого в строении и свойствах образующихся кристаллитов огромна.

В сплавах кристаллизация наступает при еще более сложном температурном режиме. Так, в термическом

центре стенки отливки (т где кристаллизация

/

происходит в последнюю очередь, могут прослеживаться следующие периоды:

—время снятия перегрева расплава тПер;

—время стояния ликвидуса тл;

—время кристаллизации сплава в интервале тем­ ператур тл-с;

—время стояния солидуса тс.

На рис. 25 показана схема изменения температур кристаллизации сплава в термическом центре отливки

54

при общей продолжительности процесса, равной ткр.

ды кристаллизации сливаются вместе. В качестве при-

Рис. 25. Периоды кри­ сталлизации сплава в термическом центре отливки

мера на рис. 26 приведены кинетические диаграммы кристаллизации некоторых Fe—С сплавов при заливке в песчаные формы и в кокили при диаметре отливки,

Рис. 26. Кинетические кривые кристаллизации некоторых железоуглеродистых сплавов при литье в песчаные формы и в кокили

равном 100 мм. Из приведенных диаграмм видно, что сплавы, залитые в литейные формы, кристаллизуются по различным законам на поверхности отливок и в их центре, что сказывается на свойствах и строении полу­

55

чаемых кристаллитов, а также на процессах образова­ ния усадочных раковин и пор в отливках.

При изучении общей закономерности затвердевания металлов и сплавов мы отвлекаемся от всей сложности процесса кристаллизации и вводим ряд упрощений. Это возможно, если нас интересует не строение и свойства образующихся кристаллитов, а процесс перехода жидко­ го расплава в твердое состояние и связанное с этим образование усадочных раковин и пор. Нельзя забывать о различном поведении металла на поверхности отлив­ ки и в ее термическом центре.

Понижение температуры расплава, переход его в твердое состояние и снижение температуры затвердев­ шего металла сопровождаются изменением объема, ко­ торое принято называть объемной усадкой. Общая кар­ тина объемной усадки некоторых железо-углеродистых сплавов показана на рис. 27.

Тзал— температура заливки расплава;

Тл— температура ликвидуса сплава. Коэффициент объемной усадки жидких сталей по

данным Ю . А. Нехендзи можно принимать в пределах от 0,004 до 0,016 в зависимости от состава сплава. Ко­ эффициент объемной усадки жидких чугунов по данным Н. Г. Гиршовича равен

“ г ж ч у г = (90 + 30С).10-Л

где С — процентное содержание углерода в сплаве. Объемная усадка сталей и чугунов в период за­

твердевания характеризуется следующими величинами:

Объемную усадку чугунов при затвердевании еу3чуг можно подсчитать с помощью эмпирического уравнения

е Ѵ з ч у г = 6>9 — ° > 9 С — 2 С г Р-

56

Объемная усадка сплавов в твердом состоянии про­ ходит в несколько этапов. Для железо-углеродистых сплавов характерно предусадочное расширение, допер­ литная усадка, расширение при фазовом превращении аустенита в перлит или в феррит, послеперлитная усад­ ка. В зависимости от состава сплава и характера его кристаллизации эти этапы получают разное развитие, что приводит к различию в величине общей усадки в твердом состоянии.

Предусадочное расширение, как показал В. П. Чернобровкин и другие исследователи, связано с процесса­ ми выделения графита в затвердевшей корке и в жид­ ком расплаве, с процессами выделения из сплава растворенных газов, с повторным нагревом быстро за­ твердевшей корки металла теплом от внутренних слоев отливки и некоторыми другими явлениями. Для серого чугуна объемное предусадочное расширение может до­ ходить до 3,0%. В сталях и белых чугунах оно много меньше.

Объемное расширение при фазовом превращении аустенита в перлит или феррит е^пр у сталей и чугунов обычно составляет от 0,30 до 0,33%, хотя для чистого железа максимально возможное расширение при пере­ ходе Fey в Fe а примерно равно 1,0%•

Доперлитная усадка сопровождается процессами выделения из твердого раствора (аустенита) карбидов или графита, поэтому ее величина определяется соста­ вом сплава и характером его охлаждения в этот период.

57

Для стали 35 доперлитная усадка еудп примерно равна 4,41 %, для белого чугуна — около 3,0%, а для серого чу­ гуна — колеблется от 0 до 0,9%.

В итоге общая величина объемной усадки затвер­ девшей мягкой стали составляет около 7,2—7,5%. Для чугуиов ее можно определить с помощью уравнения

Если проанализировать приведенные данные, то вид­ но, что интенсивность уменьшения объема жидкого и за­ твердевающего сплава много больше интенсивности уменьшения объема уже затвердевшего металла. Поэто­ му внутри корки отливки, в процессе перехода из жидкого состояния в твердое остального сплава, обра­ зуется пустота — усадочная раковина. В усадочную ра­ ковину обычно проникают газы, выделившиеся из за­ твердевающего металла и воздух через поры твердой корки отливки, поэтому полного вакуума нет. В то же время пониженное давление внутри усадочных раковин наблюдается очень часто. Это создает предпосылки для прогиба затвердевшей корки отливки внутрь раковины с образованием так называемой утяжины — впадины на поверхности отливки усадочного происхождения.

При затвердевании металла послойно от стенки фор­ мы к центру отливки будет наблюдаться понижение уровня оставшегося жидкого металла внутри затвердев­ шей корки, и чем толще затвердевший слой, тем ниже уровень оставшегося расплава. В результате в отливке образуется концентрированная усадочная раковина, име­ ющая достаточно закономерный контур. Если же за­ твердевание происходит сразу во всем объеме залитого металла, то жидкий сплав быстро разделяется перемыч­ ками из выросших кристаллитов и вместо концентриро­ ванной усадочной раковины в отливке образуется мно­ жество мелких разрозненных усадочных пор. Схема об­ разования усадочной концентрированной раковины и раз­ розненных усадочных пор показана на рис. 28.

Устранить вредное влияние концентрированной уса­ дочной раковины можно выводом ее из отливки в специ­ альный прилив, который называют прибылью. В после­ дующем прибыль отделяют и отправляют на переплав­

58

ку. В отливке же остается плотный, без усадочной ра­ ковины, металл.

Устранить вредное действие усадочных пор, образу­ ющихся при объемном затвердевании расплава, в пол­ ной мере не удается.

Пористая отливка имеет пониженную прочность и вязкость, не выдерживает испытания гидравлическим давлением. Вот почему при изучении общих закономер­ ностей в первую очередь выясняют, как обеспечить по-

Рис. 29. Влияние температурного перепада в стенке от­ ливки на затвердевание

слойное затвердевание расплава в литейных формах. Если анализировать процесс с теплотехнической стороны, можно сказать, что послойное затвердевание будет обеспечено при условии, когда перепад темпера­ туры по сечению стенки отливки много больше темпера­ турного интервала кристаллизации сплава. На рис. 29 приведено два случая: перепад температуры в стенке отливки очень велик по сравнению с интервалом между Тл и Тс\ перепад температуры в стенке отливки мал по сравнению с интервалом температур кристаллизации. В первом случае четко выявляется достаточно узкая зона затвердевания. Продвижение этой зоны от стенки формы к центру стенки отливки определяет послойный характер затвердевания. Во втором случае затвердева­ ние происходит практически сразу по всей толщине от­ ливки, т. е. имеет объемный характер. Следовательно, добиться послойного затвердевания можно двумя пу­

тями:

— резко ускорить теплоотвод от отливки, создав в ее стенке большой температурный перепад;

59