Материаловедение

14.  Жидкотекучесть: сущность и значение

Жидкотекучесть - это способность сплава в жидком состоянии заполнять литейную форму и воспроизводить ее очертания в отливке. Жидкотекучесть определяют по стандартной пробе в виде канала определенной длины и диаметра с литниковой чашей.

 Жидкотекучесть определяют по длине пути, пройденному жидким металлом до затвердевания. Чем длиннее пруток, тем больше жидкотекучесть. Высокую жидкотекучесть (>700 мм) имеют силумины, серый чугун, кремнистая латунь;

среднюю жидкотекучесть (350-340 мм) имеют углеродистые стали, белый чугун, алюминиево-медные и алюминиево-магниевые сплавы;

низкую жидкотекучесть имеют магниевые сплавы.

 С повышением  температуры сплава жидкотекучесть увеличивается.

• Жидкотекучесть – это способность металлов и сплавов течь в расплавленном состоянии по каналам литейной формы, заполнять ее полости и четко воспроизводить контуры отливки. Жидкотекучесть линейных сплавов зависит от температурного интервала кристаллизации, температуры заливки и формы, свойств формы, вязкости и поверхностного натяжения расплава и т.д. Чистые металлы и сплавы, затвердевающие при постоянной температуре (эвтектические сплавы), обладают лучшей жидкотекучестью, чем сплавы, образующие твердые растворы и затвердевающие в интервале температур. Повышение температуры заливки и температуры литейной формы увеличивает жидкотекучесть сплавов. Вязкость и поверхностное натяжение практически не оказывают влияния на жидкотекучесть литейных сплавов. Увеличение теплопроводности материала формы снижает жидкотекучесть. За меру жидкотекучести принимают длину заполненной части спирали, измеренную в миллиметрах. Наибольшей жидкотекучестью обладает серый чугун, наименьшей – магниевые сплавы.

15.  Усадка: сущность и значение

Усадка - свойство металлов и сплавов уменьшать свои размеры  и объем при затвердевании  и охлаждении. При затвердевании  отливки выделяются также ранее  растворенные расплавом газы. Усадка может способствовать образованию  усадочных раковин, а выделяющиеся при охлаждении отливки газы способствуют образованию газовых раковин. Различают  линейную и объемную усадку.

Линейная усадка изменяет линейные размеры отливки по сравнению с соответствующими размерами формы и при неблагоприятной конструкции заготовки образует трещины и коробление из-за торможения усадки в отдельных местах.

Объемная усадка приводит к образованию усадочных  раковин.

При затвердевании  в полости формы есть три фазы сплава:

1) жидкая,

2) твердая, 

3) жидкая и твердая  или двухфазная зона.

 При затвердевании  в двухфазной зоне могут возникнуть  рассеянные поры. Увеличение толщины  твердого слоя происходит до  тех пор пока в двухфазной зоне не возникает сплошной скелет из кристаллов. Теперь жидкий металл, питающий затвердевающую зону встречает значительное сопротивление своему продвижению, которое увеличивается по мере уменьшения ячеек указанного скелета. И при прекращении питания каких-либо ячеек при дальнейшем охлаждении в них возникает усадочная межкристаллическая раковина. Раковины там меньше, чем позже прекратилась связь жидкого раствора с питаемой ячейкой.

В этом случае возникает  рассеянная микропористость. Эти поры нарушают сплошность металла и могут при значительных механических нагрузках являться концентраторами напряжений (как надрезы) и тем самым ухудшать механические свойства деталей.

 Для уменьшения  влияния на качество отливки  усадочных концентрированных раковин  применяют два способа: 

а) одновременное  затвердевание,

 б) направленное  затвердевание. 

Одновременное затвердевание - это одновременная и равномерная  кристаллизация расплава во всех частях отливки, что обеспечивается определенными  условиями. Приближенно эти условия  можно считать выполненными, если толщина отливки во всех ее точках неизменна или изменяется равномерно. Наилучшим образом соблюдаются  эти условия при возможно меньшей  толщине стенки.

 При направленном  затвердевании кристаллизация отливки  происходит последовательно в  направлении противоположном вектору  отвода тепла и источнику питания  жидким сплавом. При направленном  затвердевании отливка получается  наиболее плотной, без концентрированных  раковин, которые выводятся в  прибыль. 

 Направленное  затвердевание можно осуществить  несколькими путями:

а) охлаждением нижней части формы или нагревом прибыли;

б) конструкцией отливки, имеющей с постепенно увеличивающейся  толщиной в направлении к прибыли;

в) подводом расплавленного металла под прибыль. 

16.  Ликвация: сущность и значение

При охлаждении сплава в форме вследствие неодинаковой удельной массы, неодинаковой температуры  кристаллизации составляющих сплава в  отдельных участках возникает химическая неоднородность - ликвация. Ликвация зависит от скорости охлаждения большая скорость охлаждения способствует получению более однородного по химическому составу отливки, к получению отливки с лучшими механическими свойствами 

Ликвация  – неоднородность химического состава сплава в различных частях отливки. Ликвация возникает в процессе затвердевания отливки из-за различной растворимости отдельных компонентов сплава в его твердой и жидкой фазах. Чем больше это различие, тем неоднороднее распределяется примесь по сечению отливки и тем больше ликвация примеси. В сталях и чугунах заметно ликвируют сера, фосфор и углерод. Различают дендритную (внутрикристаллитную) и зональную ликвации. Дендритная ликвация – это неоднородность химического состава в микрообъемах сплава в пределах одного зерна (дендрита). Дендритную ликвацию устраняют отжигом отливок. Зональная ликвация – это неоднородность химического состава в микрообъемах с градиентом концентраций в отливке в целом или в отдельных ее частях. Зональная ликвация устраняется выравниванием толщин стенок отливок, применением рассредоточенного подвода металла к отливке и другими способами. 

17.  Специальные виды литья и их характеристика

К литью под регулируемым давлением относят способы литья, сущность которых заключается в  том, что заполнение полости формы  расплавим и затвердевание отливки происходит под действием избыточного давления воздуха или газа.

Литье под регулируемым давлением создает широкие возможности для управления заполнением формы расплавим. Если внутрь герметичной камеры а подавать сжатый воздух или газ под давлением Ризб>Ратм, то за счет разницы давлений расплав поднимется по металлопроводу 1 и заполнит форму 2 до уровня, соответствующего H=(pизб-pатм)/r. Такой способ заполнения называют литьем под низким давлением. Термин "низкое давление" используется потому, что для подъема расплава и заполнения формы требуемое избыточное давление менее 0.1 МПа.

Если в герметичной  камере б установок создавать  вакуум, а в камере а давление поддерживать равное атмосферному, то заполнение формы произойдет за счет разницы давлений Ратм-Р. Такой способ заполнения называют литьем вакуумным всасыванием.

Используя схему  установки аналогичную данной можно  осуществить заполнение формы иначе. Положим, что в камерах а и б вначале создано одинаковое, но больше атмосферного давление воздуха или газа Рк>Ратм. Затем подача воздуха в камеру б прекращается, а в камеру а продолжается; давление в камере а повышается до Рк+DР. Тогда металл будет подниматься по металлопроводу вследствие разницы давлений Ра-Рб, т.е. аналогично тому, как и при литье под низким давлением. Того же результата можно достичь, если понижать давление в камере б, оставляя постоянным давление в камере а. Такие процессы называют литьем под низким давлением с противодавлением.

 Установки для  литья под регулируемым давлением  - сложные динамические системы, позволяющие в широких пределах регулировать скорость заполнения формы расплавим. Использование таких установок позволяет заполнить формы тонкостенных 9600 оливок, изменить продолжительность заполнения отдельных участков формы отливок сложной конфигурации с переменной толщиной стенки с целью управления процессом теплообмена расплава и формы, добиваясь рациональной последовательности затвердевания отдельных частей отливки.

Приложение давления на затвердевающий расплав позволяет  улучшить условия питания, усадки отливки, повысить ее качество - механические свойства и герметичность. В рассматриваемых  процессах после заполнения формы  давление действует на расплав, который  из тигля через металлопровод поступает в затвердевающую отливку и питает ее. Благодаря этому усадочная пористость в таких отливках уменьшается, плотность и механические свойства возрастают.

Литье под регулируемым давлением осуществляется на установках так, что процесс заполнения формы  расплавим - самая трудоемкая и неприятная с точки зрения охраны труда и  техники безопасности операция - выполняется  автоматически. Конструкции установок  и машин для этих литейных процессов  обеспечивают также автоматизацию  операций сборки и раскрытия форм, выталкивания отливки и ее удаления из формы. Таким образом, процессы литья под регулируемым давлением позволяют повысить качество отливок и обеспечить автоматизацию их производства.

 В практике  наибольшее применение нашли  следующие процессы литья под  регулируемым давлением: литье  под низким давлением, литье  под низким давлением с противодавлением, литье вакуумным всасыванием,  литье вакуумным всасыванием  с кристаллизацией под давлением  (вакуумно - компрессионное литье).

Литье под низким давлением

 Тигель с расплавим  в раздаточной печи (камере) установки  герметично закрывают крышкой в которой установлен металопровод, изготовленный из жаростойкого материала. Металлопровод погружают в расплав так, что конец его не достает до конца тигля на 40-60 мм. Форму установленную на крышке, соединяют с металопроводом литниковой втулки. Полость в отливке может быть выполнена металлическим, оболочковым или песчаным стержнем.

Воздух или инертный газ под давлением до 0.1МПа  через систему регулирования  поступает по трубопроводу внутрь камеры установки и атмосферным давлением  расплав поступает в форму  снизу через металопровод, литник и коллектор со скоростью, регулируемой давлением в камере установки. По окончании заполнения формы и затвердевания отливки автоматически открывается клапан, соединяющий камеру установки с атмосферой. Давление воздуха в камере снижается до атмосферного и незатвердевший расплав из металопровода сливается в тигель. После этого форма раскрывается, отливка извлекается и цикл повторяется.

Основными преимуществами процесса литья под низким давлением  являются: автоматизация трудоемкой операции заливки формы; возможность  регулирования скорости потока расплава в полости формы изменением давления в камере установки; улучшение питания  отливки; снижение расхода металла  на литниковую систему.

Основные недостатки невысокая стойкость части металлопровода, погруженной в расплав, что затрудняет использование способа литья для сплавов с высокой температурой плавления; сложность системы регулирования скорости потока расплава в форме, вызванная динамическими процессами, происходящими в установке при заполнении ее камеры воздухом, нестабильностью утечек воздуха через уплотнения, понижением уровня расплава в установке по мере изготовления отливок; возможность ухудшения качества сплава при длительной выдержке в тигле установки; сложность эксплуатации и наладки установок.

 Преимущества  и недостатки способа определяют  рациональную область его применения  и перспективы использования.  Литье под низким давлением  наиболее широко применяют для  изготовления сложных фасонных  и особенно тонкостенных отливок  из алюминиевых и магниевых  сплавов, простых отливок из  медных сплавов и сталей в  серийном и массовом производстве.

Особенности формирования отливки при литье под низким давлением. Заполнение форм расплавим при этом способе литья может осуществлятся со скоростями потока, которые можно регулировать в широком диапазоне. Для получения качественных отливок предпочтительно заполнять форму сплошным потоком, при скоростях, обеспечивающих качественное заполнение формы и исключающих захват воздуха расплавим, образование в отливках газовых раковин, попадание в них окисных пленок и неметалических включений. Однако уменьшение скорости потока, необходимое для сохранения его сплошности может вызвать преждевременное охлаждение и затвердевание расплава, т.е. до полного заполнения формы. Поэтому, как и в других литейных процессах, важно согласовывать гидравлические и тепловые режимы заполнения формы рассплавом.