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.

Рис. 3.1. Клиновая проба для определения жидкотекучести: l – показатель жидкотекучести

Пробы первого вида (сужающийся канал): клиновая (рис. 3.1) и шариковая (рис. 3.2) 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. 3.3. Спиральная проба для определения жидкотекучести по ГОСТ 16438-70: 1 – чаша-нарощалка; 2 – сетка; 3 – стояк; 4 – зумпф; 5 – спираль; 6 – выступы

Рис. 3.2. 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. 3.3), 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 % [6].

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 с специфическими дефектами отливок: недоливом, неслитиной, неспаем и непроваром.

На рис. 3.4 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.

Неслитина (рис. 3.5) и неспай (рис. 3.6) 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.

Рис. 3.4. Недолив: 1 – из-за нехватки металла в ковше; 2 – из-за недостаточной жидкотекучести; В, Н – соответственно верх и низ формы	Рис. 3.5. Неслитина
Рис. 3.6. Неспай	Рис. 3.7. Непровар: h0 – высота отливки

Непровар (рис. 3.7) наблюдается при использовании жеребеек или внутренних холодильников и может возникать из-за недостаточной жидкотекучести металла (способности воспроизводить) или неподготовленности жеребеек и холодильников.

Рис. 3.8.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

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.

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 А–В (рис. 3.8). 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 t, в течение которого сплав сохраняет способность к движению, по уравнению

l=vt. (3.1)

Скорость потока можно вычислить с помощью выражения

(3.2)

где m – коэффициент расхода; Н – 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»)

3.3)

где R – приведенный размер отливки; и – соответственно теплоемкость и плотность жидкого металла; Т_зал, 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 (3.2)), 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. 3.3) 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 (3.3), 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. 3.1) [12].

Также с площадью поверхности связана минимальная толщина стенки при литье под давлением (табл. 3.2) [12J.

Третьим важнейшим фактором является перегрев расплава над температурой ликвидуса (Т_зал - Т_л). 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 Т_л сплава. Формально Т_л находится и в числителе, и в знаменателе уравнения (3.3). Разность Т_зал - Т_л в числителе определяет перегрев, и ведущим в этой разности является температура заливки. Наоборот, в знаменателе ведущей является Т_л.

Таблица 3.1

Взаимосвязь толщин стенок отливок и площади их поверхности при литье в кокиль

Таблица 3.2

Взаимосвязь толщины стенок отливки и площади их поверхности при литье под давлением

Именно разность Т_л - Т_ф определяет температурный напор на границе отливка–форма и, следовательно, время отвода теплоты перегрева и жидкотекучесть сплава.

Для одновременного учета влияния перегрева и температуры ликвидуса целесообразно использовать параметр, равный отношению разностей Т_зал-Т_л и Т_л-Т_ф. Для сплавов одной системы, например железоуглеродистых сплавов (чугунов и углеродистых сталей), этот параметр может приближенно оценивать их жидкотекучесть без проведения испытаний. Из литературных источников были собраны данные о жидкотекучести чугунов и углеродистых сталей, определенных по спиральной пробе с сечением 7×8 мм в песчано-глинистой форме, построена зависимость в координатах и установлено регрессионное уравнение

(3.4)

где

Возможно распространение уравнения (3.4) и на другие системы сплавов, в частности алюминиевые и медные, но для этого необходимо проведение экспериментов в сопоставимых условиях.

Следует обратить внимание на то, что большая величина критической толщины стенки и меньшая жидкотекучесть углеродистых сталей по сравнению с чугунными связана не только с большей величиной Т_л, но и с меньшим их перегревом. Если стали заливаются с перегревом, меньшим 80 °С, то чугуны при изготовлении тонкостенных отливок, например в автомобильной промышленности, заливаются, как правило, при перегреве порядка 200 °С.

По всей видимости, высокий перегрев углеродистых и других сталей приводит к появлению дефектов газового, усадочного и пригарного происхождения, и поэтому критическая толщина стенок у отливок из углеродистых сталей из-за большей Т_л и меньшего перегрева больше, чем для отливок из чугунов.

Пятым фактором, сильно влияющим на жидкотекучесть, является коэффициент теплоаккумуляции формы (b₂, Вт×с^1/2/(м²×К)), который примерно на порядок и более различается для песчано-глинистой (950 для алюминиевых сплавов, 1300 для медных, 1377 для чугунов и 1628 для углеродистых сталей) и металлической (соответственно 2,0×10⁴; 3,7×10⁴; 14×10⁴ и 14×10⁴) форм.

Наконец, шестым фактором является температура формы. Если заливку проводить в форму, температура которой поддерживается равной Т_л, то время отвода теплоты перегрева и жидкотекучесть будут стремиться к бесконечности. Названный фактор используется при литье по выплавляемым моделям и позволяет при нагреве формы до 800...900 °С изготовлять отливки с толщиной стенки 1,0...1,5 мм, хотя температура нагрева формы обеспечивает не только толщину стенки отливки, но и другие показатели качества отливки и формы (например, целостность формы при заливке), так же, как и при литье в металлическую форму.

Жидкотекучесть и литейный радиус.Иногда появление литейного радиуса на чертежах отливок связывают с жидкотекучестью сплавов. С этим мнением нельзя согласиться, так как литейный радиус следует связывать, прежде всего, с литейной технологией, а именно со службой литейной формы и, очевидно, со службой самой отливки.

Для песчано-глинистых форм литейные радиусы необходимы, чтобы при извлечении моделей в острых углах не возникли трещины. У металлических форм литейные радиусы увеличивают срок их службы (долговечность), так как без литейных радиусов в них возникает концентрация температурных напряжений при заливке расплава в формы.

В случае изготовления отливок из серого чугуна при назначении литейного радиуса учитывается также возможность появления отбела. Наконец, концентрацию напряжений вызывает нагружение самой отливки в машине, особенно на необрабатываемых поверхностях.