Жидкотекучесть. Технологические пробы

При заливке расплава в, как правило, холодную (т.е. цеховой температуры) форму металл, протекая по каналам литниковой системы и полости формы, охлаждается, теряет теплоту перегре­ва, т.е., начав затвердевать, его поток может остановиться. При правильном выборе технологических параметров металл в момент окончания заливки должен быть жидким.

Теоретически рассчитать процесс заполнения формы и назна­чить режим заливки даже с учетом современного накопленного опыта в настоящее время затруднительно, хотя все шире исполь­зуется трехмерное компьютерное моделирование, которое позво­ляет с тем или иным приближением решать задачи заполнения формы. Однако моделирование является процессом дорогостоя­щим и трудоемким, кроме того, важно соблюдение условия, что­бы процессы, происходящие при моделировании, соответствова­ли реальным.

Поэтому понятие жидкотекучести как технологического свой­ства сплавов еще долгие годы будет использоваться для сравни­тельных испытаний, при отработке технологии и при разработке новых сплавов.

Под жидкотекучестью понимается способность распла­ва течь, заполняя литейную форму, и воспроизводить конфигура­цию отливки, включая рисунок на художественных отливках.

Технологические пробы для определения жидкотекучести можно разделить на три вида:

• пробы, основанные на прекращении течения в сужающемся канале;

• пробы, основанные на прекращении течения вследствие кри­сталлизации металла в узком выходном канале;

• пробы, основанные на прекращении течения в длинном ка­нале постоянного сечения вследствие охлаждения и кристаллиза­ции.

Пробы первого вида (сужающийся канал): клиновая (рис. 1.1) и шариковая (рис. 1.2) являются одними из первых конструк­ций проб.

Показателем жидкотекучести в клиновой пробе является рассто­яние l между вершиной клина и закругленной вершиной затвердевшего металла. Проба не получила распространения из-за низкой воспроизводимости (большого разброса) результатов.

Мерой жидкотекучести в ша­риковой пробе, предложенной А. Г. Спасским, является диаметр отверстия, образующегося в от­ливке, залитой в металлическую форму 1 с вертикальным разъе­мом. Металл заливается через воронку 4, поступает в полость фор­мы через литниковый канал 5, заполняет полость формы и под­текает в пространство между планкой (клином) 3 и шариком 2 диаметром 20 мм, но не заполняет все пространство, оставляя отверстие. Шариковая проба также не нашла широкого примене­ния. Клиновую и шариковую пробы можно использовать для оценки заполнения тонких рельефов. Пробы второго вида можно исполь­зовать для определения жидкотекучести по весу вытекшего метал­ла, хотя они также не нашли широкого применения.

 

 

Рис.1.1. Клиновая проба для оп­ределения жидкотекучести:

l — показатель жидкотекучести

 

Рис. 1.2. Шариковая проба для определения жидкотекучести (по А.Г.Спасскому):

1 — полуформа; 2 — шарик; 3 — клин; 4 — воронка; 5 — литниковый канал

Определение жидкотекучести на пробах третьего вида является общепризнанным. Показателем жидкотекучести является длина пути потока металла до остановки. Для заливки проб этого вида приме­няют формы с одним из следующих каналов: прямым, спиральным, V-образным, лабиринтным и винтовым, с гравитационным запол­нением и под действием вакуума. К этому же виду можно отнести пробы с несколькими каналами разной толщины (диаметров), за­полняемыми из общего центрального стояка. Примером последних проб могут служить звездообразная проба, состоящая из плоских каналов, и «арфа», имеющая вертикальные цилиндрические каналы. В соответствии с ГОСТ 16438—70 жидкотекучесть определяется по спиральной пробе (рис. 1.3), заливаемой в песчано-глинистые сырые и сухие формы, а также в металлические формы. Первые пробы такого вида появились в 1920-е гг. В наиболее распростра­ненном варианте металл залива­ется в форму через чашу-нарощалку 1, через сетку 2, стояк 3 и зумпф 4 и попадает в спираль­ный канал 5, имеющий форму трапеции высотой 8, шириной 8 вверху и 7 мм внизу. Небольшие выступы 6, нанесенные через 50 мм, облегчают измерение дли­ны спирали. Спиральный канал позволяет получить длинные прутки в сравнительно неболь­ших по габаритам формах. Откло­нение длины пробы от среднего значения составляет около 8 %. При установке мерной чаши со стопором отклонения могут быть уменьшены до 3,5 %.

Для обеспечения идентичных условий заполнения проб при сравнении жидкотекучести пред­ложено различать два вида жид­котекучести: практическую и ус­ловную. Практическая жидкотекучесть определяется в условиях постоянной температуры за­ливки (и, следовательно, неоди­накового перегрева для всех спла­вов данной группы). При этом можно оценивать влияние на жидкотекучесть изменений хими­ческого состава сплава в цеховых условиях, когда в плавильном агрегате поддерживается постоянная температура. Условная жидкотекучесть определяется в условиях одинакового перегрева над температурой ликвидуса. Данный вид пробы получил наибольшее распространение.

Дефекты, возникающие из-за недостаточной жидкотекучести. Очевидно, что само появление понятия жидкотекучести и техно­логических проб связано со специфическими дефектами отливок: недоливом, неслитиной, неспаем и непроваром.

На рис. 1.4 представлен недолив в тонкой стенке отливки. Здесь же показан дефект, имеющий такое же название «недолив», но возникающий из-за нехватки металла в ковше, поэтому емкость ковша рассчитывается с запасом, а для выливания остатка ис­пользуются специальные изложницы.

 

Рис. 1.3. Спиральная проба для определения жидкотекучести по

ГОСТ 16438-70:

1 — чаша-нарощалка; 2 — сетка; 3 — стояк; 4 — зумпф; 5 — спираль; 6 —

выступы

 

Рис. 1.4. Недолив:

1 — из-за нехватки металла в ковше; 2 — из-за недостаточной жидкотекучести; В, Н — соответственно верх и низ формы

 

Рис. 1.5. Неслитина

 

Неслитина (рис. 1.5) и неспай (рис. 1.6) возникают при встрече потоков металла при заливке формы, например при заливке че­рез несколько питателей, которые применяются в том числе для предупреждения недоливов. Неслитина и неспай появляются из-за недостаточной жидкотекучести, а неспай может также образо­ваться из-за пленки оксидов на поверхности потока.

Непровар (рис. 1.7) наблюдается при использовании жеребеек или внутренних холодильников и может возникать из-за недоста­точной жидкотекучести металла (способности воспроизводить) или неподготовленности жеребеек и холодильников.

 

Рис. 1.6. Неспай

Рис. 1.7. Непровар:

h_a — высота отливки

 

Механизм остановки потока. Влияние интервала кристаллиза­ции на жидкотекучесть. Изучение жидкотекучести с использова­нием технологических проб позволило установить, что жидкоте­кучесть в значительной степени зависит от интервала кристалли­зации: чем больше интервал кристаллизации, тем меньше жид­котекучесть. Наибольшую жидкотекучесть имеют металлы, крис­таллизующиеся при постоянной температуре, т.е. чистые метал­лы, эвтектики и химические соединения. Влияние интервала кри­сталлизации на механизм остановки потока связывают с характе­ром кристаллизации. Расплавы металлов с постоянной температу­рой кристаллизации протекают начальный участок канала, имея перегрев. Затем по мере снижения перегрева на стенках нарастает твердая корка. Расплав продолжает течь в «чулке». Толщина корки увеличивается. Площадь живого сечения чулка уменьшается. Мо­мент остановки потока может соответствовать разной степени за­растания поперечного сечения канала. Количество твердой фазы к моменту остановки потока достигает 60...80 %.

Поток расплавов металлов, кристаллизующихся в интервале тем­ператур, останавливается из-за скопления в головной части боль­шого количества первичных кристаллов, обломков дендритов, со­здающих пробку в голове потока. При этом, чем больше интервал кристаллизации, тем меньшее количество твердой фазы требуется, чтобы остановить поток. Остановка потока происходит, как прави­ло, при образовании 20... 35 % твердой фазы, т.е. при меньшем ее содержании, чем в металлах с постоянной температу­рой кристаллизации. Очевидно, чтобы доля образовавшейся твердой фазы была меньше, требуется относительно мень­ший теплоотвод от потока и, следовательно, процесс течения прекращается за относительно меньшее время. Вероят­но, именно этим объясняется минималь­ная жидкотекучесть сплавов, отвечающих предельной растворимости и максималь­ному интервалу кристаллизации.

Остановка головы потока произой­дет тогда, когда давление (напор) окажется недостаточным для преодоления сопротивления жидко-твердой смеси (пульпы), которую следует отнести к неньютоновским жидкостям или пластическим телам. Поэтому для аналити­ческого определения жидкотекучести в этом случае следует решать не только тепловую, но и силовую задачу.

Рис. 1.8. Жидкотекучесть сплава в зависимости от его состава (положения на ди­аграмме состояния А—В):

1,3— чистые металлы А и В соответственно; 2— сплав эв­тектического состава

 

Обобщая результаты многочисленных исследований двойных сплавов различных систем, можно построить схему зависимости условной жидкотекучести l _ж сплава от его состава, т.е. от положе­ния сплава на диаграмме состояния A — В (рис. 1.8). Видно, что наи­большей жидкотекучестью обладают эвтектический сплав 2 и чи­стые металлы 1, 3. Высокая жидкотекучесть также характерна для интерметаллидов, кристаллизующихся при постоянных темпера­турах. По мере увеличения интервала кристаллизации жидкотеку­честь уменьшается.

Факторы, влияющие на жидкотекучесть. Прежде всего, следует отметить, что определенной связи между жидкотекучестью и фи­зическими свойствами (вязкостью, поверхностным натяжением и смачиваемостью) до сих пор не установлено. Факторы, влияющие на жидкотекучесть, кроме уже рассмотренного интервала крис­таллизации, удобнее всего раскрыть, если представить, что жид­котекучесть l характеризуется как произведение скорости v выте­кания сплава из литниковой системы на время τ, в течение кото­рого сплав сохраняет способность к движению, по уравнению

(1)

Скорость потока можно вычислить с помощью выражения

(2)

где μ — коэффициент расхода; H — напор металла; g — ускорение свободного падения.

Время течения потока для качественного анализа можно при­нять равным времени отвода теплоты перегрева от отливки прут­ка в состоянии покоя по уравнению (его вывод приводится в кур­се «Теория формирования отливки»)

(3)

где R — приведенный размер отливки; и — соответственно теплоемкость и плотность жидкого металла; , Т_л, Т_ф — темпе­ратура соответственно заливки, ликвидуса, формы; А — параметр, отражающий прогрев формы; b₂ — коэффициент теплоаккумуляции формы.

Первым технологическим фактором является напор метал­ла (из уравнения (2)), при котором происходит заполнение формы. В литейном производстве напор (давление), под действи­ем которого происходит заполнение, изменяется в широких пре­делах, в зависимости от высоты верхней опоки в некоторых случаях с чашей-нарощалкой (см. рис. 1.3) до нескольких атмосфер (низкое давление) и даже тысяч атмосфер (литье под высоким давлением), когда создается возможность залить стенку отливки толщиной порядка 1 мм.

Второй фактор, как следует из уравнения (3), является геомет­рическим. Его характеризует приведенный размер отливки R = V/F, где V— объем; F— поверхность отливки. Для плоской отливки при­веденный размер равен половине толщины отливки. Поэтому труд­ности заполнения стенки отливки возрастают в квадрате от ее тол­щины. Существует также понятие критической (минимальной) тол­щины стенки отливок, которая определяется видом сплава, спосо­бом литья, а также протяженностью стенки или ее площадью. При литье в песчано-глинистые формы критическая толщина стенки от­ливки из чугуна составляет 3... 5 мм и 5... 10 мм для отливки из угле­родистой стали. При литье в кокиль рекомендуемые толщины стенок связаны с площадью поверхности стенок (табл. 1).

Также с площадью поверхности связана минимальная толщи­на стенки при литье под давлением (табл. 2).

Третьим важнейшим фактором является перегрев расплава над температурой ликвидуса . Общеизвестно, что с увеличе­нием перегрева жидкотекучесть существенно увеличивается. По­этому перегрев является одним из основных факторов, который используется для управления жидкотекучестью в текущем произ­водстве и устранения вышеописанных дефектов, когда другие факторы практически нельзя изменить.

Следующим, четвертым, фактором, который часто не прини­мают во внимание, является температура ликвидуса сплава. Формально находится и в числителе, и в знаменателе уравне­ния (3). Разность в числителе определяет перегрев, и ведущим в этой разности является температура заливки. Наобо­рот, в знаменателе ведущей является .

Таблица 1