Контрольные вопросы к разделу 1.3

1. Какие требования предъявляются к слиткам для обработки давлением?

2. Как влияет скорость заполнения изложницы и скорость отвода тепла на характер кристаллизации слитка?

3. От чего зависит продолжительность разливки сплава при литье слитков?

4. На что влияет перегрев расплава перед литьем?

5. Какие факторы влияют на охлаждающую способность изложницы при литье слитков?

6. Как влияет интервал кристаллизации сплава на его литейные свойства?

7. Какие отрицательные и положительные характеристики имеют сплавы с широким интервалом кристаллизации?

8. Как интервал кристаллизации сплава влияет на его механические свойства?

9. Как влияет величина усадки на плотность отливаемого слитка?

10. Какие сплавы (эвтектические или широкоинтервальные) используются для обработки давлением?

11. Какое условие является наиболее важным параметром при литье слитков?

12. Что такое приведенный коэффициент скорости литья и от чего он зависит?

13. По каким коэффициентам следует рассчитывать оптимальную скорость литья слитков?

14. В каких единицах выражается коэффициент скорости литья?

15. Как влияет скорость литья на наличие не металлических включений в отливаемых слитках?

16. Как зависит скорость литья слитков от теплофизических параметров сплава и изложницы?

17. Как влияют температурно-скоростные режимы литья на качество получаемых слитков?

18. От какого параметра зависит толщина стенки изложницы?

19. Как определяется теплопроницаемость ювелирных сплавов?

20. Что такое приведенная толщина кристаллизации слитков?

21. Что такое литниковая система?

22. Основные элементы литниковой системы?

23. Какие факторы берут за основу при выборе места подвода металла к отливке?

24. Что такое сужающиеся и расширяющиеся литниковые системы?

25. Сужающиеся или расширяющиеся литниковые системы используются при литье ювелирных изделий по выплавляемым моделям?

26. Как необходимо подвести металл к отливке, чтобы обеспечить направленность кристаллизации?

27. Какие параметры литниковой системы необходимы для получения плотной отливки?

28. По каким параметрам производят расчет литниковых систем для драгоценных сплавов при литье по выплавляемым моделям?

29. Что такое модуль охлаждения отливки?

30. Как определяется модуль охлаждения отливки?

1.4. Особенности литья ювелирных сплавов Лекция 12

1. Теоретические основы литья сплавов золота и серебра.

2. Особенности литья сплавов золота и серебра.

Чистое золото и серебро, как правило, не используют для изготовления ювелирных изделий, так как они, обладают невысокой твердостью и прочностью. В связи с этим самое широкое распространение получили сплавы на основе золота (с массовой долей золота 58,5; 75; 37,5; 33,3%), а также серебра (с массовой долей серебра 87,5; 91,6; 92,5%). Сведения о литейных свойствах сплавов на основе золота и серебра (поверхностном натяжении, вязкости, жидкотекучести и усадке при затвердевании) весьма малочисленны, однако позволяют сделать вывод, что данные сплавы с точки зрения литейных свойств аналогичны сплавам на основе меди (латуни Л62 и некоторым другим). Специфические особенности производства отливок из сплавов золота и серебра в ювелирной промышленности (плавка весьма малых количеств металла  от 0,1 до 1 кг  и обеспечение минимальных потерь золота и серебра) обусловливают определенные ограничения процесса приготовления жидкого металла к заливке в литейные формы. Проведение процесса плавки сплавов золота и серебра необходимо вести используя следующие рекомендации и ограничения:

 использование максимально чистых исходных составляющих шихты  золота, серебра, меди, никеля, цинка и др.;

 загрузка в тигель и расплавление в первую очередь компонентов, не растворяющих вредные газы и имеющих невысокие температуры плавления. Компоненты с повышенной летучестью можно вводить в сплавы только после расплавления других составляющих и понижения температуры расплава до минимума;

 защита от окисления в процессе плавления слитков золота с помощью плавленой борной кислоты (буры), а для сплавов серебра  с помощью прокаленного древесного угля;

 раскисление сплавов золота и серебра с помощью элементов, обра­зующих оксиды с высокой упругостью паров (цинк, кадмий, фосфор, литий и др.) или комплексных раскислителей, что обеспечивает быстрое удаление продуктов раскисления;

 тщательное перемешивание расплава по всему объему после введения каждой составляющей и раскислителей, а также максимальное удаление шлака перед литьем;

 использование тиглей, не взаимодействующих с жидким металлом в процессе плавки;

За последнее время достаточно подробно изучено влияние методов плавки на качество получаемых изделий из драгоценных сплавов. Экспериментально подтверждено существенное улучшение макроструктуры и уменьшение количества примесей в слитках сплавов СрМ916, что позволило внедрить электрошлаковый переплав на ряде предприятий ювелирной промышленности. Результаты экспериментов для изучения процесса удаления водорода и кислорода в вакууме из расплава серебро  медь показали, что данный процесс лимитирует стадия диффузии атомов газов к поверхности раздела, металл  вакуум. Закономерность изменения концентрации водорода и кислорода в жидком металле может быть выражена следующим уравнением:

(1.4.1)

где , ,  соответственно концентрации газа в расплаве, газа в

жидком металле, газа на поверхности жидкого металла;  константа скорости процесса;  площадь поверхности расплава;  время;  объем жидкого металла.

Исследование химического состава, плотности, микроструктуры и качества поверхности слитков и ювелирных изделий из сплава серебра СрМ 875, выплавленного в открытых и вакуумных печах показали, что изменения содержания серебра и меди по высоте слитков наиболее резко выражены у металла, выплавленного в открытых печах. Массовая доля серебра в данном случае колеблется от 86,83 до 87,96 % (1,13 %); меди  от 11,69 до 12,69 (1 %). Определенной закономерности распределения серебра и меди по высоте слитков обнаружить не удалось.

Вакуумная плавка позволяет получать слитки с более равномерным содержанием серебра и меди. По экспериментальным данным, массовая доля серебра колеблется от 87,35 до 87,88 %, что в два с лишним раза меньше, чем при плавке в открытых печах. Аналогичный вывод можно сделать по распределению меди в слитках сплава СрМ 875. Массовая доля меди колеблется от (11,88 до 12,34 %), что в 2,2 раза меньше, чем в предыдущем случае. Среднее содержание примесей в сплаве СрМ 875 открытой плавки составляет 0367 %. За счет удаления вредных примесей и дегазации жидкого металла при плавке в вакууме содержание примесей снизилось до 0,303 % (на 17,4 %). Одновременно с этим произошло повышение плотности литого сплава СрМ 875 (10333 кг/м³) у вакуумного металла по сравнению с 10294 кг/м³ для металла открытой плавки  в среднем на 0,42 %.

Подобные закономерности наблюдаются при изучении качества юве­лирных изделий, полученных методом точного литья. При использовании в качестве шихты сплава СрМ 875, выплавленного в открытых печах, массовая доля серебра в ювелирных изделиях колебалась от 86,1 до 88,24 % (на 2,14 %), меди  от 11,43 до 13,52 % (2,09 %), а вредных примесей  от 0,33 до 0,39 %. Использование в качестве исходной шихты металла вакуумной плавки, позволяет резко повысить содержание серебра и меди в изделиях (серебра от 87,3 до 87,9 %  в 3,5 раза; меди  от 11,78 до 12,33 %  в 3,8 раза). Плотность ювелирных изделий, отлитых в вакууме, составляет в среднем 10337 кг/м³, что на 45,8 кг/м³ больше, чем у стандартных изделий. При литье в атмосферных условиях слитки сплава СрМ 875 имеют высокую газовую пористость, а также содержат крупные неметаллические включения. Слиток серебра СрМ 875, полученный в вакууме, практически не имеет никаких дефектов. Изучение микроструктуры ювелирных изделий из сплава СрМ 875, выплавленного на воздухе, показало, что для них характерна крупнозернистая структура, грубые выделения эвтектики по границе зерен и газовая пористость. Ювелирные изделия, отлитые в вакууме, не имеют перечисленных дефектов и по качеству значительно лучше.

Изучение процесса удаления водорода и кислорода из сплавов золото  серебро  медь показало, что скорость процесса удаления водорода и кислорода из расплава золото  серебро  медь лимитирует стадия диффузии атомов газов к поверхности раздела: металл  вакуум.

Таким образом, выдержка сплавов СрМ 875 и ЗлСрМ 583-80 при температуре 1373 в вакууме позволила эффективно удалять водород и кислород из жидкого металла.

Теоретические основы процесса заполнения жидким металлом литейной формы при различных методах изготовления отливок достаточно хорошо изложены в литературе.

Остановимся на закономерностях течения расплавов драгоценных металлов по каналам литейной формы и охлаждения сплавов золота при затвердевании отливок. Рассмотрим упрощенную модель заполнения канала постоянного сечения несжимаемой вязкой жидкостью при следующих допущениях: движение является ламинарным, вязкость жидкости постоянна (т к. не принимается во внимание охлаждение расплава), давление на входе в канал постоянно, давление перед фронтом жидкости равно нулю (т.е. не принимается во внимание давление находящегося в литейной форме газа).

Известны решения уравнения Навье  Стокса для одномерного стаби­лизированного ламинарного течения. Если канал имеет круглое сечение, то скорость течения описывается формулой Пуазейля

(1.4.2)

где  средняя скорость движения жидкости через сечение;  паде­ние давления на участке канала;  радиус канала;  динамическая вязкость;  длина канала.

Если канал имеет форму плоской щели, то

(1.4.3)

Здесь  расстояние между плоскостями «щелевого» канала.

При заполнении канала течение жидкости не является стабилизиро­ванным. Но можно принять, что в каждый момент времени сила сопротивления вязкого трения связана с мгновенной скоростью течения жидкости в соответствии с (1.4.2). Условие равенства нулю суммы сил, действующих на затекающую в канал жидкость, дает дифференциальное уравнение

(1.4.4)

Здесь  ускорение затекающей жидкости;  длина заполненной час­ти канала;  расстояние от поверхности жидкости до входа в канал; ;  скорость затекающей жидкости;  константа уравнения.

После введения безразмерных переменных уравнение (1.4.4) принимает вид

(1.4.5)

Уравнение (1.4.5), неинтегрируемое в элементарных функциях, решается на ЭВМ методом Рунге-Кутта при начальных условиях и параметре равном 0,01; 0,1; 1.

Как показал опыт, этот параметр влияет только в начальной стадии за­полнения канала, в дальнейшем кривые асимптотически приближаются к кривой . Эта кривая представляет собой решение в частном случае при . Физический смысл решения: инерционные силы пренебрежимо малы по сравнению с вязким трением и давлением, это имеет место при значительной продолжительности затекания жидкости в канал, когда изменение скорости становится ничтожно малым. При этих условиях можно (1.4.5) приближенно заменить формулой

(1.4.6)

Имеющиеся сведения о длинах проб на жидкотекучесть, выполненных для каналов различного сечения, не противоречат выводу о пропор­циональности длины пробы квадрату радиуса канала. Вывод о том, что при ламинарном течении масштабный вектор не влияет на время заполнения, использован при переходе от реальной отливки к эквивалентному ей по времени заполнения и времени затвердевания круглому цилиндру. Для выполнения требования равенства времени затвердевания (а отсюда и времени нахождения металла в подвижном состоянии) радиус искомого эквивалентного цилиндра выбирают равному удвоенному модулю охлаждения отливки, который определяется по ее объему и площади поверхности. При нахождении длины эквивалентного цилиндра рассматриваются литейные формы с последовательным заполнением расплавом каналов разного сечения. Уменьшение сечения сопровождается таким увеличением числа параллельных каналов, что в каждый момент времени градиент давления постоянен на всем заполненном участке. Это означает что, например, при уменьшении радиуса канала вдвое число параллельных каналов должно в соответствии с законом Пуазейля возрасти в 16 раз. Поскольку все параллельно расположенные каналы заполняются одновременно и с одинаковой скоростью, при определении времени заполнения рассматривается по одному каналу (длиной и радиусом ) из каждой группы. С учетом (1.4.6) выражение для определения времени заполнения расположенных последовательно каналов разного радиуса и длины имеет вид

(1.4.7)

Длину цилиндра, эквивалентного рассматриваемой отливке по времени заполнения, находят из выражения

. (1.4.8)

Элементы отливки, имеющие форму полосы или конуса, при расчете времени заполнения можно заменить эквивалентными им цилиндрами. Из сопоставления скорости течения через круглый канал и щель следует, что полосе толщиной и длиной эквивалентен цилиндр радиусом и длиной .

В связи с известными трудностями экспериментальных исследований процессов тепломассопереноса в отливках сложной формы и малых размеров ( ) в условиях действия центробежных сил температурное поле и кинетика затвердевания отливок из сплава золота в кремнеземисто-гипсовой форме изучались методом гидротепловой аналогии. Метод гидротепловой аналогии основан на идентичности законов, описывающих процесс распространения теплоты в твердых телах и процесс ламинарного движения жидкости в сообщающихся сосудах. Используя соответствующие масштабы аналоговой модели процесса теплообмена и затвердевания металла, были экспериментально определены изменения температурного поля в пластинчатой и цилиндрической отливках, а также в кремнеземисто-гипсовых формах. Кинетика затвердевания отливок из сплавов золота ЗлСрМ 583-80 представлена на рисунке 1.4.1.

Полученные экспериментальные данные позволяют сделать ряд выводов.

Градиент температур по сечению отливок весьма незначительный. Практически в жидкой фазе отливки устанавливается однородное по сечению температурное поле.

Существенное влияние на скорость затвердевания отливок оказывает их конфигурация. При постоянных значениях температур формы и расплава кинетика затвердевания описывается уравнениями:

для пластинчатой отливки

. (1.4.9)

где  толщина затвердевшего металла, мм;  время, с; для цилиндрической отливки

(1.4.10)

Таким образом, кинетика затвердевания пластинчатых отливок описывается известным уравнением закона квадратного корня, а цилиндрических отливок - уравнением, близким к линейному.

а б

Рис. 1.4.1. Кинетика затвердевания пластинчатой (а) и цилиндрической (б) отливок из сплавов ЗлСрМ 583-80 в кремнеземисто-гипсовых формах

В начальной стадии затвердевания отливок в поверхностных слоях кремнеземисто-гипсовых форм устанавливается градиент температур вследствие их низкой теплопроводности. В дальнейшем к моменту полного затвердевания отливок периферийные слои формы толщиной до м прогреваются практически до температуры затвердевания отливок. Слои кремнеземисто-гипсовой формы толщиной до м. прогреваются до температуры затвердевания сплава в течение 1,3 с при получении пластинчатых отливок, а при затвердевании цилиндрических отливок  за 0,48 с, т. е. значительно быстрее.