О факторах формирования бесприбыльных отливок из алюминиевых сплавов

Рассмотрены механизмы формирования газоусадочных дефектов в отливках из необработанных и газонасыщенных алюминиевых сплавов в зависимости от интенсивности тепло-отвода и величины давления, воздействующего на затвердевающую отливку. Установлены факторы и технологические параметры, благоприятствующие...

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Опубліковано в: :	Процессы литья
Дата:	2012
Автор:	Котлярский, Ф.М.
Формат:	Стаття
Мова:	Russian
Опубліковано:	Фізико-технологічний інститут металів та сплавів НАН України 2012
Теми:	Новые методы и прогрессивные технологии литья
Онлайн доступ:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/126248
Теги:	Додати тег Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:	О факторах формирования бесприбыльных отливок из алюминиевых сплавов / Ф.М. Котлярский // Процессы литья. — 2012. — № 4. — С. 27-44. — Бібліогр.: 7 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-126248
record_format	dspace
spelling	Котлярский, Ф.М. 2017-11-18T08:01:46Z 2017-11-18T08:01:46Z 2012 О факторах формирования бесприбыльных отливок из алюминиевых сплавов / Ф.М. Котлярский // Процессы литья. — 2012. — № 4. — С. 27-44. — Бібліогр.: 7 назв. — рос. 0235-5884 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/126248 621.746:669.715 Рассмотрены механизмы формирования газоусадочных дефектов в отливках из необработанных и газонасыщенных алюминиевых сплавов в зависимости от интенсивности тепло-отвода и величины давления, воздействующего на затвердевающую отливку. Установлены факторы и технологические параметры, благоприятствующие получению герметичных бесприбыльных отливок. Розглянуто механізми формування газоусадочних дефектів в виливках з необроблених та газонасичених алюмінієвих сплавів в залежності від інтенсивності тепловідведення та величини тиску, діючого на тверднучий виливок. Встановлено чинники та технологічні параметри, які сприяють одержанню герметичних безнадливних виливків. The formation mechanisms of gas-shrinkage defects in untreated and gas-saturated aluminum alloys castings have been examined according to heat removal intensity and pressure that influence upon hardening casting. Factors and technological parameters that help to obtain leak-proof non riser castings have been established. ru Фізико-технологічний інститут металів та сплавів НАН України Процессы литья Новые методы и прогрессивные технологии литья О факторах формирования бесприбыльных отливок из алюминиевых сплавов Article published earlier
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
title	О факторах формирования бесприбыльных отливок из алюминиевых сплавов
spellingShingle	О факторах формирования бесприбыльных отливок из алюминиевых сплавов Котлярский, Ф.М. Новые методы и прогрессивные технологии литья
title_short	О факторах формирования бесприбыльных отливок из алюминиевых сплавов
title_full	О факторах формирования бесприбыльных отливок из алюминиевых сплавов
title_fullStr	О факторах формирования бесприбыльных отливок из алюминиевых сплавов
title_full_unstemmed	О факторах формирования бесприбыльных отливок из алюминиевых сплавов
title_sort	о факторах формирования бесприбыльных отливок из алюминиевых сплавов
author	Котлярский, Ф.М.
author_facet	Котлярский, Ф.М.
topic	Новые методы и прогрессивные технологии литья
topic_facet	Новые методы и прогрессивные технологии литья
publishDate	2012
language	Russian
container_title	Процессы литья
publisher	Фізико-технологічний інститут металів та сплавів НАН України
format	Article
description	Рассмотрены механизмы формирования газоусадочных дефектов в отливках из необработанных и газонасыщенных алюминиевых сплавов в зависимости от интенсивности тепло-отвода и величины давления, воздействующего на затвердевающую отливку. Установлены факторы и технологические параметры, благоприятствующие получению герметичных бесприбыльных отливок. Розглянуто механізми формування газоусадочних дефектів в виливках з необроблених та газонасичених алюмінієвих сплавів в залежності від інтенсивності тепловідведення та величини тиску, діючого на тверднучий виливок. Встановлено чинники та технологічні параметри, які сприяють одержанню герметичних безнадливних виливків. The formation mechanisms of gas-shrinkage defects in untreated and gas-saturated aluminum alloys castings have been examined according to heat removal intensity and pressure that influence upon hardening casting. Factors and technological parameters that help to obtain leak-proof non riser castings have been established.
issn	0235-5884
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/126248
citation_txt	О факторах формирования бесприбыльных отливок из алюминиевых сплавов / Ф.М. Котлярский // Процессы литья. — 2012. — № 4. — С. 27-44. — Бібліогр.: 7 назв. — рос.
work_keys_str_mv	AT kotlârskiifm ofaktorahformirovaniâbespribylʹnyhotlivokizalûminievyhsplavov
first_indexed	2025-11-25T14:29:58Z
last_indexed	2025-11-25T14:29:58Z
_version_	1850514638106525696
fulltext	ISSN 0235-5884. Процессы литья. 2012. № 4 (94) 27 НОВЫЕ МЕТОДЫ И ПРОГРЕССИВНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ЛИТЬЯ УДК 621.746:669.715 Ф. М. Котлярский Физико-технологический институт металлов и сплавов НАН Украины, Киев О ФАКТОРАХ ФОРМИРОВАНИЯ БЕСПРИБЫЛЬНЫХ ОТЛИВОК ИЗ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ Рассмотрены механизмы формирования газоусадочных дефектов в отливках из необрабо- танных и газонасыщенных алюминиевых сплавов в зависимости от интенсивности тепло- отвода и величины давления, воздействующего на затвердевающую отливку. Установлены факторы и технологические параметры, благоприятствующие получению герметичных бесприбыльных отливок. Ключевые слова: бесприбыльные отливки, газоусадочные дефекты, алюминиевые сплавы. Розглянуто механізми формування газоусадочних дефектів в виливках з необроблених та газонасичених алюмінієвих сплавів в залежності від інтенсивності тепловідведення та вели- чини тиску, діючого на тверднучий виливок. Встановлено чинники та технологічні параметри, які сприяють одержанню герметичних безнадливних виливків. Ключові слова: безнадливні виливки, газоусадочні дефекти, алюмінієві сплави. The formation mechanisms of gas-shrinkage defects in untreated and gas-saturated aluminum alloys castings have been examined according to heat removal intensity and pressure that influence upon hardening casting. Factors and technological parameters that help to obtain leak-proof non riser castings have been established. Keywords: non-riser casting, gas-shrinkage defects, aluminum alloys. Наиболее распространенным методом компенсации усадки затвердевания от- ливок является использование прибылей, на которые при литье алюминиевых сплавов расходуется до 40-50 % жидкого металла, тогда как объем усадки затвер- девания составляет обычно 4-6 %. Сокращение разницы между расходуемым (40- 50 %) и требуемым для питания отливки расплавом (4-6 %) является огромным резервом ресурсосбережения. В данной работе ставилась задача разобраться в механизмах влияния режимов наводороживания расплава и теплосиловых условий затвердевания на характер газоусадочных процессов и формирование бесприбыльных отливок. Известно [1], что одну и ту же отливку (например, цилиндр) без специальной прибыльной надставки при высокой интенсивности затвердевания можно рассмат- 28 ISSN 0235-5884. Процессы литья. 2012 № 4 (94) Новые методы и прогрессивные технологии литья ривать как обычную, в которой верхняя часть выполняет роль прибыли с соответ- ствующей открытой раковиной и цепочкой усадочных дефектов, а нижняя получается плотной (рис. 1, а, справа), тогда как при низкой интенсивности затвердевания в ряде случаев вся отливка уподобляется непропитываемому металлоемкому узлу, в котором компенсация усадки затвердевания (полная или частичная) осуществляется за счет утяжки и пузырьков выделяющегося из расплава водорода (рис. 1, а, слева). Естественно, что и механизмы формирования газоусадочных дефектов в таких отлив- ках будут разными. И начинаются эти различия с возможности или невозможности образования на открытой поверхности отливки плотной корочки затвердевшего металла, достаточно прочной для сопротивления воздействию атмосферного дав- ления (перепаду внешнего и внутреннего давлений). Этот вопрос частично рассмотрен в работах [2, 3]. Методика исследований представлена на рис. 2. Металлическая форма выполнена в виде усеченного ко- нуса, расширяющегося снизу вверх под углом 3o. Верхняя толстостенная часть формы, теплоизолированная снаружи, предназначена для формирования при- быльной части отливки высотой 70-80 мм, а нижняя тонкостенная – для создания металлостатического напора 0,004 МПа (аналогично условиям работы прибылей для отливок мелкого и среднего развесов). В крышке, плотно прикрывающей форму сверху, сделали два канала, через один из которых полость формы может сообщаться либо с атмосферой, либо с источником сжатого воздуха, а через дру- гой – с манометром. Собранная форма при комнатной температуре погружается в тигель с расплавом на глубину, при которой зеркало металла устанавливается несколько ниже (на 4-5 мм) уровня верхнего торца формы. После истечения задан- б а б Рис.1. Сечения (а) и внешний вид (б) силуминовых цилиндрических отливок, полученных в условиях низкой (слева) и высокой (справа) интенсивности затвер- девания ISSN 0235-5884. Процессы литья. 2012 № 4 (94) 29 Новые методы и прогрессивные технологии литья ного времени форму приподнимают над уровнем расплава с целью соз- дания металлостатического напора либо извлекают полностью, если в эксперименте планируют над при- былью создать избыточное газовое давление. В последнем случае выдав- ленная масса металла собирается на подложке и взвешивается. В процес- се каждого опыта фиксируются время извлечения формы из тигля, а также величина и время подачи давления. Продолжительность полного затвердевания сечения образца в верхней части формы для доэв- тектического сплава (Al + 6,4 % Si) при исходной температуре в тигле 700 оС составляла в среднем 85 с, а для сплава, близкого по составу к эвтектическому (Al + 11,5 % Si) при на- чальной температуре 660 оС, – 105 с. В первой серии опытов, выпол- ненных на эвтектическом сплаве Al+11,5 % Si, исследовали действие на прибыль металлостатического напора до 0,004 МПа, создаваемого путем подъема формы над уровнем расплава таким образом, чтобы ее нижний торец оставался погружен- ным. Результаты этих исследований представлены на рис. 3 (верхний ряд). Как видно, на протяжении 30 с после начала охлаждения жидкий металл выливается из центральной части прибыли, что свидетельствует о возможности свободного питания. Затем по всему сечению незатвердевшей части образуется твердожидкая масса. Под действием металлостатического напора верхний уровень этой смеси опускается вниз, тогда как нижний, судя по конфигурации его поверхности, остается практически на месте, то есть параллельно протекают два процесса: жидкая фаза частично вытесняется (путем фильтрации) из объема прибыли и увлекает при этом (с помощью капиллярных сил и окисной пленки) верхний слой кристаллического каркаса, уплотняя его. Так как прочность каркаса в процессе уплотнения возрастает, то после опускания до определенного уровня, в зависимости от величины напора, движение верхнего слоя прекращается. В последующих стадиях затвердевания при- были высота воронок, образующихся под действием того же напора, уменьшается, что можно объяснить не столько увеличением удельной прочности твердожидкой массы (в процессе кристаллизации эвтектики кристаллический каркас практически не изменяется), сколько сокращением занимаемой ею площади. Рассматривая поверхностный слой незатвердевшей части цилиндрической прибыли как защемленный по краям диск (радиусом R и толщиной в) с равнорас- пределенной нагрузкой, определяемой напором Р, величину срезающих усилий σ можно выразить зависимостью = = , П 2 P S P R в в     где S = πR2 – площадь круга; П = 2πR – периметр круга. Р м φ56 7 0 1 8 0 φ90 Рис. 2. Схема устройства для исследования влия- ния поверхностных явлений на процесс питания отливки 30 ISSN 0235-5884. Процессы литья. 2012 № 4 (94) Новые методы и прогрессивные технологии литья Отсюда σ кр 2 = в Р R или, подставляя критические значения Ркр и σ кр , σ кр кр 2 = . в Р R (1) Из выражения (1) видно, что с уменьшением радиуса твердожидкой зоны вели- чина критического напора, необходимого для преодоления сопротивления поверх- ностного слоя, при прочих равных условиях должна увеличиваться. Поскольку же в рассматриваемой серии экспериментов напор оставался постоянным, то по мере затвердевания остановка поверхностного слоя происходила при меньшей степени уплотнения кристаллического каркаса, то есть на более высоком уровне опытного образца. Часть образца, расположенная ниже воронки, во всех случаях, независи- мо от времени создания металлического напора, была плотной по всему сечению. Наложение избыточного газового давления на различных стадиях затвердева- ния (через 10 с после извлечения формы из тигля) не оказывало существенного влияния на объем и конфигурацию воронки, но приводило к образованию каналов переменного сечения в нижней части образца (рис. 3, нижний ряд). Причиной образования этих каналов является неравномерная по объему проч- ность твердожидкой массы. После «заклинивания» опускающегося поверхностного слоя в наиболее слабых местах образуются разрывы, через которые перепад давле- ний смещается в нижние слои металла, продолжая разрушительный процесс. В этот период прибыль работает неэффективно, так как в качестве питающего материала используется лишь незначительная часть жидкой фазы, равная объему образую- щихся пустот. Большая же часть незатвердевшего металла прибыли удерживается в порах кристаллического каркаса и в питании отливки не участвует. Величина давления, необходимого для разрушения поверхностного слоя и обра- Рис. 3. Продольные и поперечные сечения образцов из сплава Al+11,5 % Si, полученных в условиях воздействия металлостатического напора 0,004 МПа (верхний ряд) и критического газового давления (нижний ряд) на различных стадиях затвердевания (цифрами указано время извлечения формы из расплава, в с) 30 40 50 70 ISSN 0235-5884. Процессы литья. 2012 № 4 (94) 31 Новые методы и прогрессивные технологии литья зования сквозных каналов по высоте прибыли, зависит от стадии ее затвердевания (табл.1), то есть от размеров и состояния твердожидкой зоны. Так как в выражении (1) радиус R является функцией продолжительности охлаж- дения металла в форме, то, воспользовавшись законом квадратного корня приме- нительно к цилиндру, можно произвести следующие преобразования: 2 2 тж т 0 3= = = ,S R S S R K − − τ где Sтж − площадь сечения твердожидкой зоны; т 3=S K τ − площадь сечения твер- дого слоя; 2 0=S Rπ − площадь сечения прибыли; R 0 − радиус прибыли; K 3 − коэффи- циент затвердевания (для рассматриваемых условий при общей продолжительности затвердевания 105 с 2 -1/2 3 24,6 = = 2,4 см с ; 105 K ), где τ – время от начала затвердевания. Так как в данном случае рассматривается сплав, близкий по составу к эвтекти- ческому, то сделали допущение, что практически вся твердая фаза сосредоточена в наружном слое полностью затвердевшего металла 2 3 0= - K R R τ π * сквозные каналы отсутствуют, образуются местные трещины ** слабое просачивание воздуха, в некоторых поперечных сечениях толщина канала не превышает 0,1 мм Таблица 1. Величина критического давления, необходимого для образо- вания в прибыли сквозных каналов (в скобках расчетные значения) Номер позиции Время извлечения формы из тигля, с Время создания давления, с Величина давления, МПа Масса вытесненного металла, г Al + 11,5 % Si 1 40 50 0,015 (0,024) 11,6 2 50 60 0,02 (0,027) 20,5 3 60 70 0,03 (0,031) 21,2 4 70 80 0,04 (0,037) 16,7 5 80 90 0,055 (0,048) 10 6 90 100 0,082 (0,084) - Al + 6,4 % Si 7 15 25 0,07 - 8 17 27 0,08 20 9 20 30 0,08* 13,6 10 20 30 0,2 25,3 11 20 30 0,28 33,5 12 25 34 0,2* 6 13 25 34 0,225* 21,6 14 25 34 0,25 21,4 15 25 34 0,34 28 16 30 39 0,26 26,7 17 30 39 0,3 38,6 18 35 44 0,4 27,1 32 ISSN 0235-5884. Процессы литья. 2012 № 4 (94) Новые методы и прогрессивные технологии литья или, используя численные значения R0, K 3 и π, − τ= 0,87 10,25 .R Подставляя полученную зависимость в выражение (1), получим кр кр 2 = . 0,87 10,25- в Р  τ Полагая, что параметры в и σкр постоянны, и, заменив выражение кр2 0,87 в  кон- стантой К1, получим 1 кр = . 10,25 К Р − τ Путем подстановки экспериментальных значений Р кр определяем среднюю ве- личину К 1 = 0,042. В конечном виде кр 0,042 = . 10,25 Р − τ (2) Удовлетворительное согласование между данными, рассчитанными с помощью выражения (2), и распределением опытных значений Ркр (см. табл.1) является до- полнительным аргументом в пользу влияния размеров твердожидкой области на величину критического давления, необходимого для обеспечения питания отливки твердожидкой прибылью даже в том случае, если по ходу затвердевания кристал- лический каркас не претерпевает существенных изменений. С другой стороны, результаты выполненных расчетов и экспери- ментальных исследований говорят о том, что при одном и том же напо- ре сдвиговые напряжения линейно возрастают с увеличением радиуса зоны твердожидкого состояния. Деформация сдвига произойдет на таком расстоянии от оси, где сре- зающие усилия превысят прочность кристаллического каркаса. Поэтому усадочная воронка в процессе ее формирования зачастую вначале сужается (пока опускающийся ме- талл пребывает в жидком или жидко- твердом состоянии), а с переходом в твердожидкое состояние начинает расширяться (рис. 4). Аналогичный принцип действия прибыли с открытой кристаллизую- щейся поверхностью подтверждается также результатами исследования Рис. 4. Прибыльные части цилиндрических отли- вок диаметром 50 мм и высотой 400 мм из сплава Al + 6 % Si (слева) и Al + 11,5 % Si (справа) ISSN 0235-5884. Процессы литья. 2012 № 4 (94) 33 Новые методы и прогрессивные технологии литья доэвтектического сплава. Однако, имеются и некоторые особенности, связанные с изменением кинетики образования и структуры кристаллического каркаса. Во-первых, значительно сокращается время образования по всему сечению прибыли твердожидкой массы, способной выдержать металлостатический напор 0,004 МПа. Для сплава Al + 6,4 % Si оно составляет 16-17 с. Во-вторых, из-за сравнительно высокой прочности каркаса, обусловленной повышенной концентрацией твердой фазы при дендритном строении первичных кристаллов, примерно после 22-24 с затвердевания действие металлостатического напора, судя по конфигурации поверхности прибыли, практически не ощущается. Небольшая воронка в центральной части формируется под действием усадочных напряжений еще до подъема формы над расплавом. В-третьих, значительно повышается величина критического давления (см. табл.1). Вначале этот параметр фиксировали, как и при исследовании эвтектическо- го сплава, в момент появления течи воздуха в процессе плавного роста давления. Затем использовали другую методику, согласно которой в заданный момент вре- мени давление резко повышалось до определенной величины и поддерживалось постоянным до окончания затвердевания образца. В случае отсутствия течи воздуха в следующем опыте величина давления увеличивалась. Сравнение данных обеих методик показало, что в первом случае значения Ркр получаются завышенными на 20-25 %, поэтому в дальнейшем использовали только вторую методику. Анализ образцов, претерпевших воздействие газового давления, показывает, что в доэвтектическом сплаве (в отличие от эвтектического) образуются не колонии каналов, сконцентрированных в центральной зоне, а преимущественно трещины, разветвляющиеся по всему сечению. В верхней части образца (возле воронки) ширина трещин достигает 2-3 мм. По мере опускания вниз трещины сужаются и в ряде сечений становятся незаметными при визуальном осмотре шлифа, но могут быть обнаружены путем деформации сжатия. Через эти трещины давление переда- ется нижним слоям металла и при недостаточной прочности затвердевшей корочки может произойти разрыв образца. Обычно такого рода расслоения в поперечном сечении наблюдались на участках, расположенных в зоне перехода толстостенной части формы в тонкостенную при наложении давления, равного критическому или больше его. Так как объем наблюдаемых трещин незначительный по сравнению с количеством выдавливаемого расплава (см. табл. 1), следует предположить, что основная масса питающей фазы поступает за счет деформации открытой поверхности прибыли. Из таблицы видно, что вытеснение расплава наблюдается и при давлении ниже крити- ческого, когда прибыль не разрушается, однако с повышением давления количество вытесненного расплава несколько увеличивается. Обращают на себя внимание высокие значения критического давления, кото- рое даже на ранних стадиях затвердевания сплава Al + 6,4 % Si достигает 0,4 МПа. Может сложиться впечатление, что после перехода прибыли в твердожидкое со- стояние питание отливок из такого сплава при атмосферном давлении окажется недостаточным из-за нехватки сил для деформации и разрушения верхних слоев прибыли. Однако опыт литья из доэвтектического сплава цилиндров диаметром 50 мм и высотой 400 мм в неокрашенном массивном кокиле без прибыльной над- ставки свидетельствует о том, что и в атмосферных условиях нижняя часть отливки высотой примерно 120 мм получается плотной, а в верхней части образуются со- общающиеся между собой пустоты в виде трещин и каналов переменного сечения, что подтверждается проникновением в эти каналы и трещины солевого расплава (50 % NaNO 3 + 50 % KNO 3 ), залитого в усадочную воронку на начальной стадии ее формирования [4]. Следовательно, и при отсутствии избыточного давления имелись силы, достаточные для деформации и разрушения верхних участков цилиндра вплоть до окончания его затвердевания. Можно предположить, что недостаток внешнего силового воздействия компенсируется внутренним отрицательным давлением, 34 ISSN 0235-5884. Процессы литья. 2012 № 4 (94) Новые методы и прогрессивные технологии литья возникающим вследствие усадки, причем для очищенного от неметаллических включений расплава величина отрицательного давления может быть эквивалентна нескольким атмосферам [2]. Следует учитывать и тот факт, что в реальных условиях затвердевания питающий расплав непрерывно перемещается относительно отливки и перемешивается, что препятствует образованию прочного кристаллического каркаса и его сцеплению с твердожидкой массой отливки, причем чем больше скорость относительного пере- мещения (СОП), тем сильнее эффект препятствования. Вероятно, эта скорость и является главным фактором возможности или невозможности образования на от- крытой поверхности отливки плотной затвердевшей корочки, не поддающейся раз- рушению под действием перепада внешних и внутренних давлений и препятствую- щей проникновению воздуха внутрь отливки. В то же время СОП является функцией трех взаимодействующих между собой аргументов: интенсивности затвердевания, газовыделения из расплава и силовых условий образования утяжин. Для необработанного расплава при очень высокой интенсивности затверде- вания на снятие перегрева и кристаллизацию открытого поверхностного слоя за счет теплоизлучения просто не хватит времени. Зона твердожидкого состояния окажется узкой, газа выделится немного, утяжин не будет, СОП, определяемая усадкой затвердевания, максимальная. Отливка с четко выраженным металли- ческим блеском боковой поверхности (см. рис.1, б, справа) разделится на две части: верхнюю с открытой усадочной раковиной, близкой по конфигурации к перевернутому конусу, и нижнюю плотную максимальной протяженности для таких условий бесприбыльного литья. По мере снижения интенсивности затвердевания за счет увеличения зоны твер- дожидкого состояния поперечные сечения усадочной раковины уменьшатся, зато может несколько увеличиться глубина [1, c. 95], а под раковиной появится рыхлота, поэтому высота нижней плотной части соответственно уменьшится. При очень низкой интенсивности затвердевания СОП также резко уменьшится, а роль теплоизлучения с открытой поверхности возрастет, что благоприятствует образованию корочки. Более того, последующий медленный прогиб корочки под действием усадки и атмосферного давления некоторое время не нарушит ее сплош- ности (табл. 1), и за это время она еще упрочнится и начнет оказывать определенное сопротивление. Это приведет к понижению давления внутри отливки. А поскольку на боковой поверхности цилиндра к этому времени нарастет корочка также небольшой толщины, то из-за создавшегося перепада давлений она начнет прогибаться внутрь отливки. Здесь уместно привести результаты выполненных в работе [4] экспери- ментальных исследований кинетики образования утяжин в зависимости от геоме- трической формы поверхности отливки. Оказалось, что в сечениях, где утяжка не- большая, деформируется только плоская поверхность. По мере увеличения объема утяжин деформируется и цилиндрическая, причем в зоне больших утяжин степень деформации со стороны цилиндрической поверхности в ряде случаев значительно больше, чем со стороны плоской. Объясняется это тем, что вначале под действием усадочных напряжений прогибается плоская поверхность как менее жесткая по сравнению с цилиндрической. С увеличением стрелы прогиба силы реакции про- гнувшейся плоской корочки возрастают и при определенной степени деформации величина усадочных напряжений может оказаться достаточной для преодоления жесткости цилиндрической корочки. Деформация последней сопровождается не столько растяжением, как это наблюдается со стороны плоской корочки, сколько изгибом, что требует меньших усилий, поэтому дальнейшее развитие процесса утяжки протекает преимущественно за счет прогиба цилиндрической поверхности. Следует также учесть, что в результате утяжки между отливкой и формой обра- зуется зазор, который дополнительно снижает интенсивность теплоотвода и со- храняет боковой корочке высокую температуру. В результате компенсация усадки затвердевания осуществляется в основном за счет утяжки. Известны случаи полу- ISSN 0235-5884. Процессы литья. 2012 № 4 (94) 35 Новые методы и прогрессивные технологии литья чения в таких условиях (толщина стенки кокиля 2-4 мм) цилиндрических отливок диаметром 50 мм и высотой ~200 мм с высокой плотностью при отсутствии в верхней части открытой усадочной раковины [1, c. 92]. Однако, поскольку необработанные расплавы обычно содержат определенное количество неметаллических включений, снижающих прочность расплава на разрыв, то средняя по высоте часть отливки, затвердевающая в последнюю очередь (из-за утяжки и удаленности от торцевых эффектов), оказывается негерметичной и пораженной газоусадочными дефектами. Боковая поверхность таких отливок матовая (рис.1, б, слева). По мере увеличения интенсивности теплоотвода и утолщения боковой корочки по сравнению с верхней утяжка уменьшается или вовсе исчезает, поэтому разрежение внутри отливки возрастает, что приводит к разрушению неокрепшей верхней короч- ки, образованию цепочки усадочных раковин в осевой части отливки и появлению газовой пористости. Для необработанных расплавов, близких по составу к эвтектике и затвердеваю- щих с нечетко выраженной твердожидкой зоной [5], достаточно прочная и плотная корочка на открытой поверхности отливки практически не образуется независимо от интенсивности затвердевания. Эффективным средством борьбы с утяжкой и ее негативными последствиями является вакуумирование пространства, окружающего отливку. При этом про- исходит резкое снижение перепада давлений, причем не только за счет снятия атмосферного давления, но и в связи с интенсификацией газовыделения внутри отливки. Последний фактор можно усилить или даже заменить им вакуумирование путем специального наводороживания расплава, например, погружением влажного асбестового тампона, но при этом следует учитывать ряд обстоятельств. Во-первых, степень наводороживания должна быть достаточной не только для устранения утяжки, но и для компенсации усадки затвердевания обособленными газовыми порами, не нарушающими герметичности и других требований, предъ- являемых к литому изделию. Чем выше температура расплава во время обработки, тем больше содержание водорода. Чем интенсивнее перемешивание расплава во время обработки, тем быстрее происходит насыщение, но уровень содержания водорода трудно поднять выше растворимости [6, с.138]. Во-вторых, во время медленного снятия перегрева и начальной стадии кристал- лизации с низкой интенсивностью теплоотвода значительная часть водорода уходит из расплава путем диффузии (аналогично рафинированию подстуживанием). На- пример, чугунный кокиль с рабочей полостью диаметром 50 мм и толщиной стенки 2 мм после заливки в него расплава АК7 при температуре 740-750 оС прогревается до температуры, близкой к ликвидусу; аналогичный кокиль с толщиной стенки 4 мм прогревается до температуры несколько ниже ликвидуса после снятия перегрева и кристаллизации около 30 % расплава. Такой режим затвердевания, названный «прямым термическим методом реолитья», используется для формирования не- дендритной структуры без перемешивания [7]. Если в процессе понижения температуры и начальной стадии кристаллизации расплава содержание водорода окажется выше растворимости, начинают обра- зовываться пузырьки, которые всплывают в верхнюю часть отливки, образуя там нежелательные скопления. Поэтому для перевода большей части водорода в по- лезную междендритную пористость путем его транзита через твердогазокластерные комплексы после наводороживания расплава следует либо сделать выдержку (до получаса), либо непосредственно перед заливкой быстро охладить наводорожен- ный расплав в промежуточном ковше до допустимой для заливки температуры [6, с.110]. Если же оставшегося водорода окажется недостаточно, будут иметь место явления, характерные для необработанного расплава. В-третьих, для задержания пузырьков водорода в местах их зарождения важно быстрое образование сплошного кристаллического каркаса, что, казалось бы, связано с температурным интервалом затвердевания сплава и формой первичных 36 ISSN 0235-5884. Процессы литья. 2012 № 4 (94) Новые методы и прогрессивные технологии литья кристаллов. Однако опыт работы с наводороженными узкоинтервальными сплава- ми, близкими по составу к эвтектике, говорит о том, что и в этом случае возможно получение бесприбыльных герметичных отливок без открытой усадочной раковины. По-видимому, водорода, выделяющегося из расплава у фронта кристаллизации, оказалось достаточно для полной компенсации усадки затвердевания в условиях воздействия атмосферного давления, а слабого кристаллического каркаса [5] − для удержания газовых пузырьков в местах их зарождения. В-четвертых, уменьшить утечку водорода из наводороженного расплава и устра- нить всплывающую пористость в отливке можно с помощью избыточного газового давления. Однако действие этого давления должно прекратиться после образова- ния сплошного кристаллического каркаса, чтобы не препятствовать образованию рассредоточенной газовой пористости, компенсирующей усадку затвердевания, и не вызвать утяжку. В-пятых, эффективным средством повышения объема газовой пористости явля- ется вакуумирование затвердевающей отливки, которое целесообразно создавать после образования сплошного кристаллического каркаса. При этом происходят интенсификация выделения водорода из расплава и расширение образующихся пузырьков. В подтверждение высказанных предложений в табл. 2, 3 приведены экспе- риментальные данные [1] по влиянию конкретных режимов обработки расплава и теплосиловых условий затвердевания отливок диаметром 50 мм и высотой 190±10 мм из сплавов с различной степенью эвтектичности на характер пори- стости и герметичность, которые расположены в порядке убывания показателей герметичности. В табл. 2 включены отливки с одним непрерывным герметич- ным участком, отсчитываемым от нижнего торца, а в табл. 3 – отливки с двумя разделенными герметичными участками, расположенными один снизу, другой сверху. Герметичными условно приняты участки с протяженностью пор в осевом направлении меньше 10 мм, а негерметичными – более 10 мм. Протяженность пор определяли продувкой сжатым воздухом (0,5 МПа) в воде вырезаемых из отливок и последовательно стачиваемых дисков [1]. Из табл. 2 видно, что для доэвтектического сплава АК5М2 наиболее высокие показатели по герметичности (100 %) обеспечивали, в основном, два комплекса воздействий. Первый включал высокотемпературное (1060 оС) наводороживание расплава водяным паром в графитовом тигле высокочастотной установки с по- следующим охлаждением в тигле с теплоизоляционной набивкой внутри автоклава до температуры 750-785 оС, повышение давления в автоклаве до 0,5 МПа, заливку расплава в чугунный кокиль с толщиной стенки 4 мм, а через 20-120 с после заливки понижение давления до атмосферного (позиции 1, 3, 6, 9). Второй комплекс включал наводороживание расплава водяным паром в чугунном тигле печи сопротивления при температуре 740 оС, выдержку от 3 до 20 мин, заливку в чугунный кокиль с тол- щиной стенки преимущественно 4 мм, а после образования сплошного кристалли- ческого каркаса − вакуумирование (в специальной камере) до остаточного давления 0,05 МПа (поз. 2, 4, 5, 7, 8, 10). Отклонение от этих режимов сокращает протяжен- ность герметичного участка. В меньшей мере сказывается снижение интенсивности затвердевания за счет уменьшения толщины стенки кокиля до 2 мм (поз.11, 12), в большей мере – повышение интенсивности затвердевания за счет увеличения толщины стенки кокиля до 8-16 мм (поз.13, 14, 17, 18), увеличение выдержки после наводороживания (поз.15), отсутствие наводороживания (поз.14,16,17,19) и осо- бенно чрезмерный вакуум (поз.16, 19) как и отсутствие вакуума после образования сплошного кристаллического каркаса (поз. 18). Для эвтектического сплава СИЛ-0 (АК12) по многим позициям (21, 23, 26, 27, 29- 31, 33-38, 40) получаемая картина близка к сплаву АК5М2. Но есть и существенные дополнения, например, влияние изменения величины давления в автоклаве после высокотемпературного наводороживания расплава и понижения его температуры ISSN 0235-5884. Процессы литья. 2012 № 4 (94) 37 Новые методы и прогрессивные технологии литья Н ом ер п оз иц ии В ид ы в оз де йс тв ия н а ра сп ла в и за тв ер де ва ю щ ую о тл ив ку δ к, м м L г, % l П , м м П ,% Х Р П пр m ах пр m ах 1 2 3 4 5 6 7 8 9 сп ла в А К 5М 2 1 ча со во е Н п од в ла ж ны м а сб ес то м п ри 1 06 0 °С , пе ре ли в в ав то кл ав , о хл аж де ни е пр и Р а до 7 85 °С , Р из б = 0 ,5 М П а за ли вк а и кр ис та лл из ац ия 1 20 с , д ал ьш е Р а 4 10 0 4 6 3, 2 3, 8 7 2 (2 % F е; 2 ,3 % С u) , Н п ар ом , в ы де рж ка 2 0 м ин , п ос ле О С К К Р ос т = 0 ,0 5 М П а, Т р = 7 40 °С 4 10 0 2 4 7 7 7 3 ча со во е Н п од в ла ж ны м а сб ес то м п ри 1 06 0 °С , п ер ел ив в а вт ок ла в, о хл аж де ни е пр и Р а до 78 5 °С , Р из б = 0 ,5 М П а за ли вк а и кр ис та лл из ац ия 2 5 с, д ал ьш е Р а. 4 10 0 2 6 5 5, 5 7 4 Н п ар ом 3 м ин , в ы де рж ка 2 0 м ин , п ос ле О С К К Р ос т = 0 ,0 5 М П а, Т р = 7 40 °С 4 10 0 4 6 5 5, 5 7( 5) 5 (2 ,8 % F е; 2 ,8 % С u) , Н п ар ом , в ы де рж ка 2 0 м ин , п ос ле О С К К Р ос т = 0 ,0 5 М П а, Т р = 7 40 °С 4 10 0 2- 4 6 6 7 5 6 ча со во е Н п од в ла ж ны м а сб ес то м п ри 1 06 0 °С , п ер ел ив в а вт ок ла в, о хл аж де ни е пр и Р а до 7 50 °С , Р из б= 0 ,5 М П а за ли вк а и кр ис та лл из ац ия 2 0 с, д ал ьш е Р а 4 10 0 2 6 7 8 7 7 Н ф ор м ов оч н ой c м ес ью , в ы де рж ка 2 0 м и н , п ос ле О С К К Р ос т = 0 ,0 5 М П а, Т р= 7 40 °С 4 10 0 4 8 5, 5 6, 5 5 8 (2 ,3 % F е; 2 ,8 % С u) , Н п ар ом , в ы де рж ка 3 м ин , п ос ле О С К К Р ос т = 0 ,0 5 М П а ,Т р = 7 40 °С 4 10 0 4 8 5 6, 5 5 9 ча со во е Н п од в ла ж ны м а сб ес то м п ри 1 06 0 °С , п ер ел ив в а вт ок ла в, п ри Р из б = 0 ,5 М П а, ох ла ж де ни е до 75 0 °С , з ал ив ка и к ри ст ал ли за ци я 28 с , д ал ьш е Р а 4 10 0 4 10 7, 5 8, 5 5 10 Н ( 3 м ин ), в ы де рж ка 1 5 м ин , п ос ле О С К К Р ос т = 0 ,0 56 М П а, Т р = 7 40 °С 2 10 0 6 10 1- 9 9 3 Та б л и ц а 2 . П а р а м е тр ы о д н о у ч а с тк о в о й ( с п л о ш н о й ) ге р м е ти ч н о с ти б е с п р и б ы л ь н ы х о тл и в о к д и а м е тр о м 5 0 и в ы с о то й 1 8 0 -2 0 0 м м в з а в и с и м о с ти о т р е ж и м о в н а в о д о р о ж и в а н и я р а с п л а в а и т е п л о с и л о в ы х у с л о в и й з а тв е р д е в а н и я 38 ISSN 0235-5884. Процессы литья. 2012 № 4 (94) Новые методы и прогрессивные технологии литья 1 2 3 4 5 6 7 8 9 11 Н ( 3 м ин ), в ы де рж ка 3 5 м ин , п ос ле О С К К Р ос т = 0 ,0 56 М П а, Т р = 7 40 °С 2 78 2- 4 4 2- 8 8 5 12 Н , в ы де рж ка 15 м ин , п ос ле О С К К Р ос т = 0 ,0 56 М П а, Т р = 74 0 °С 2 78 2- 8 8 2- 8 8 5 13 T р = 7 40 °С , Н в ла ж ны м а сб ес то м , в ы де рж ка 8 м ин 16 56 4 6 1 1, 8 5 14 T р = 7 40 °С 16 50 3 4 0, 4 1, 5 4( 3) 15 Н , в ы де рж ка 4 6 м ин , п ос ле О С К К Р ос т = 0 ,0 56 М П а, Т р = 7 40 °С 4 50 2 8 2- 6 6 5 16 T р = 7 40 °С , п ос ле О С К К Р ос т = 0 ,0 2 М П а 4 40 2- 4 4 0, 5- 5, 0 5 6 17 T р = 7 40 °С 8 33 2 5 0, 5- 2, 5 2, 5 4( 1) 18 Н в ла ж ны м а сб ес то м , в ы де рж ка 8 м ин , Т р = 7 40 °С 8 33 2- 6 6 1, 0- 3, 5 3, 5 7( 5) 19 Т р = 7 40 °С , п ос ле О С К К Р ос т = 0 ,0 03 5 М П а 4 30 2 4 0, 5- 6 6 1 сп ла в С И Л О ( А К 12 ) 20 ча со во е Н п од в ла ж ны м а сб ес то м п ри 1 06 0 °С , п ер ел ив в а вт ок ла в, п ри Р а о хл аж де ни е до 7 85 °С , з ал ив ка и к ри ст ал ли за ци я 4 10 0 2 2 2, 0- 4, 3 4, 3 1 21 ча со во е Н п од в ла ж ны м а сб ес то м п ри 1 06 0 °С , п ер ел ив в а вт ок ла в, о хл аж де ни е пр и Р а до 8 50 °С , Р из б = 0 ,5 М П а, з ал ив ка и к ри ст ал ли за ци я 80 с , д ал ьш е Р а 4 10 0 2 4 5 5, 3 7 22 Т за л = 7 40 °С , ч ер ез 6 0 с Р ос т = 0 ,0 15 М П а 4 10 0 2 4 6 6 5( 7) 23 Н , в ы де рж ка 1 0 м ин , Т за л = 7 40 °С , ч ер ез 9 0 с (3 0 с по сл е О С К К ) Р ос т = 0 ,0 5 М П а 4 10 0 2 6 5 5 7 24 Н в ла ж ны м а сб ес то м , в ы де рж ка 8 м ин , Т за л = 7 40 °С 4 10 0 2 6 1- 8 7, 7 3( 4) 25 Т з = 7 50 °С , ч ер ез 7 5 с Р ос т = 0 ,0 1 М П а 4 10 0 2 6 4, 5 6, 5 5 26 Н , в ы де рж ка 3 0 м ин , Т за л = 7 40 °С , ч ер ез 9 0 с Р ос т = 0 ,0 5 М П а 4 10 0 2 10 5 6 7( 2) 27 ча со во е Н п од в ла ж ны м а сб ес то м п ри 1 06 0 °С , п ер ел ив в а вт ок ла в, п ри Р из б = 0 ,5 М П а ох ла ж де ни е до 75 0 °С , з ал ив ка и к ри ст ал ли за ци я 64 с , д ал ьш е Р а 4 84 2 2 4 4, 3 5 28 Т за л = 7 50 °С , ч ер ез 8 5 с Р ос т = 0 ,0 15 М П а 4 84 2 8 0- 4 4 4( 3 29 Т за л = 7 40 °С 16 79 2 2 0, 2 1, 5 5 п р о д о л ж е н и е т а б л . 2 ISSN 0235-5884. Процессы литья. 2012 № 4 (94) 39 Новые методы и прогрессивные технологии литья 1 2 3 4 5 6 7 8 9 30 Т за л= 7 40 °С 2 79 2 4 0, 2 3, 5 5 31 Н в ла ж ны м а сб ес то м , в ы де рж ка 8 м ин , Т за л = 7 40 °С 16 68 2 2 0, 4 1, 2 5 32 ча со во е Н п од в ла ж ны м а сб ес то м п ри 1 06 0 °С , п ер ел ив в а вт ок ла в, о хл аж де ни е пр и Р а д о 85 0 °С , п ри Р из б = 0 ,2 М П а за ли вк а и кр ис та лл из ац ия 4 63 2 2 2, 5 3, 5 5 33 Т за л = 7 50 °С , ч ер ез 7 5 с Р ос т = 0 ,0 25 М П а 4 63 2 2 1 1, 5 5 34 Т за л = 7 50 °С , ч ер ез 7 5 с Р ос т = 0 ,0 5 М П а 4 63 2 8 0, 3 1 5 35 Т за л = 7 50 °С , ч ер ез 6 0 с Р ос т = 0 ,0 03 М П а 4 63 2- 10 10 0- 23 23 3( '/ 2) 36 Н в ла ж ны м а сб ес то м , в ы де рж ка 8 м ин , Т за л = 7 40 °С 8 58 2 2 1 1, 3 5 37 Т за л = 7 40 °С 4 53 2 2 0, 2 1 5 38 Т за л= 7 40 °С 8 53 2 2 0, 2 0, 5 5 39 ча со во е Н п од в ла ж ны м а сб ес то м п ри 1 06 0 °С , п ер ел ив в а вт ок ла в, п ри Р а о хл аж де - ни е до 8 50 °С , п ри Р из б = 0 ,5 М П а за ли вк а и кр ис та лл из ац ия 4 53 4 4 0, 8 1 5 40 Т за л = 7 50 °С , ч ер ез 1 40 с Р ос т = 0 ,0 03 М П а 4 42 2 8 0- 11 11 ,5 8( 1) С пл ав А К 9 41 ко ки ль в с ух ой п ес ча но й за сы пк е и с те пл ои зо ля ци ей т ор цо в (с ни зу а сб ес т то лщ и- но й 8 м м , с ве рх у ва та ), Н 2 м ин , в ы де рж ка 5 м ин и з ал ив ка п ри 6 15 °С 2 10 0 2 4 2- 6 5, 7 1 42 ко ки ль в п ес ча но й за сы пк е и с те пл ои зо ля ци ей т ор це в, п ер еп ла в по сл е м од иф и- ци ро ва ни я ст ро нц ие м ( 0, 07 % ) и Н п ри 7 45 °С , п ов то рн ое Н , в ы де рж ка 5 м ин и за ли вк а пр и 62 5 °С . 2 10 0 2- 10 10 4- 6 6 1 З н ач е н и я си м во ло в и с о кр ащ е н и й : δ к − т о лщ и н а ст е н ки к о ки ля ; L г − о тн о си те ль н ая п р о тя ж е н н о ст ь ге р м е ти чн о го у ча ст ка ( l< 1 0 м м ); L н − п р о тя ж е н н о ст ь н е ге р м е ти чн о - го у ча ст ка ( l> 1 0 м м ); l − п р е д е ль н ая п р о тя ж е н н о ст ь п о р ы в о се во м н ап р ав ле н и и н а ге р м е ти чн о м у ча ст ке : п р − п р е и м ущ е ст ве н н о , м ах − м ак си м ал ьн о е з н ач е н и е ; П - п о р и ст о ст ь; Х Р П − х ар ак те р р ас п р е д е ле н и я п о р и ст о ст и : 1 − к уп о л с ве р ш и н о й п о се р е д и н е , 2 − к уп о л с ве р ш и н о й н и ж е с е р е д и н ы , 3 − к уп о л с ве р ш и н о й в ы ш е с е р е д и н ы , 4 − п ло щ ад ка − к уп о л, 5 − п о д ъ е м − п ло щ ад ка − п о д ъ е м , 6 − п о д ъ е м − п ло щ ад ка − с н и ж е н и е , 7 − п о д ъ е м − п ло щ ад ка , 8 − п ло щ ад ка − к уп о л − п о д ъ е м ; Н − н ав о д о р о ж и ва - н и е ; Р а − д ав ле н и е а тм о сф е р н о е ; Р и зб − д ав ле н и е и зб ы то чн о е ; Р о ст − д ав ле н и е о ст ат о чн о е ; Т р − те м п е р ат ур а р ас п ла ва ; О С К К − о б р аз о ва н и е с п ло ш н о го к р и ст ал ли че ск о го ка р ка са ; h − р ас ст о ян и е о т н и ж н е го т о р ц а о тл и вк и п р о д о л ж е н и е т а б л . 2 40 ISSN 0235-5884. Процессы литья. 2012 № 4 (94) Новые методы и прогрессивные технологии литья Н ом ер по зи - ци и В ид ы в оз де йс тв ия н а ра сп ла в и за тв ер де ва ю щ ую о тл ив ку δ к, м м С ум м ар на я L г, % L н, м м П m ax н а L н, % Х Р П 1 2 3 4 5 6 7 сп ла в А К 5М 2 1 Н , в ы де рж ка 8 м ин , Т р = 7 40 °С 4 89 20 7 4( 3) 2 (1 ,1 % F е; 1 ,8 % С u) Т р = 7 50 °С 4 89 20 5 3 3 Н , в ы де рж ка 8 м ин , Т р = 7 40 °С 2 85 30 8 4( 3) 4 Т р = 7 50 °С 2 80 40 5, 5 4( 3) 5 (2 ,8 % F е; 2 ,8 % С u) Т р = 7 50 °С 4 80 40 7, 4 3 6 по сл е О С К К Р ос т = 0 ,0 4 М П а, Т р = 7 40 °С 2 80 20 7 3 7 Н ( 3 м ин ), ч ер ез 15 м ин в ве де н T iВ , Т р = 7 30 °С 4 78 40 6, 4 1 8 вв ед ен T iВ , Т р = 7 50 °С 4 78 40 8 1 9 Т р = 75 0 °С 4 78 40 6, 2 4( 3) 10 Н ф ор м , с м ес ью , в ы де рж ка 5 м ин , Т р = 7 40 °С 4 78 40 5, 3 3 11 Н ф ор м , с м ес ью , в ы де рж ка 3 0 м ин , Т р= 74 0 о С 4 78 40 6, 5 1 12 (2 ,3 % F е; 2 ,8 % С u) Т р= 7 50 °С 4 78 40 4, 2 4( 3) 13 (2 ,8 % F е; 2 ,8 % С u) , Н п ар ом , в ы де рж ка 3 0 м ин , Т р = 7 40 °С 4 78 40 6 1 14 ча со во е Н в ла ж ны м а сб ес то м п ри 1 06 0 °С , п ер ел ив в а вт ок ла в, о хл аж де ни е пр и Р а д о 85 0 о С , п ри Р из б = 0 ,5 М П а за ли вк а и по лн ая к ри ст ал ли за ци я 4 75 60 3, 2 1 15 ча со во е Н в ла ж ны м а сб ес то м п ри 1 06 0 °С , п ер ел ив в а вт ок ла в, о хл аж де ни е, за ли вк а и кр ис та лл из ац ия п ри Р а 4 70 35 5 1 Та б л и ц а 3 . П а р а м е тр ы д в у х у ч а с тк о в о й ( н е с п л о ш н о й ) ге р м е ти ч н о с ти б е с п р и б ы л ь н ы х о тл и в о к д и а м е тр о м 5 0 и в ы с о то й 1 8 0 -2 0 0 м м в з а в и с и м о с ти о т р е ж и м о в н а в о д о р о ж и в а н и я р а с п л а в а и т е п л о с и л о в ы х ус л о в и й з а тв е р д е в а н и я ISSN 0235-5884. Процессы литья. 2012 № 4 (94) 41 Новые методы и прогрессивные технологии литья 1 2 3 4 5 6 7 16 (2 % F е; 1 ,8 % С u) Н п ар ом , в ы де рж ка 2 0 м ин , п ос ле О С К К Р ос т = 0 ,0 5 М П а, Т р = 7 40 °С 4 70 20 6 5 17 по сл е О С К К Р ос т = 0 ,0 2 М П а, Т р = 7 40 °С 4 70 40 6 5 18 ча со во е Н в ла ж ны м а сб ес то м п ри 1 06 0 °С , п ер ел ив в а вт ок ла в, о хл аж де ни е пр и Р а д о7 30 о С , п ри Р из б = 0 ,5 М П а за ли вк а и по лн ая к ри ст ал ли за ци я 4 67 60 4 1 19 (2 ,8 % F е; 2 ,8 % С u) , Т р = 7 50 °С 4 67 40 3, 5 8 20 (2 % F е; 3 ,3 % С u) , Т р = 7 50 °С 4 67 40 5 4 21 в ве де н T iВ , Н , в ы де рж ка 2 0 м ин , Т р = 7 50 °С 4 67 60 7 1 22 Т р = 7 50 °С 4 67 40 4, 5 1 23 вв ед ен T iВ , Т р = 7 50 °С 4 67 40 4, 7 1 24 7+ по сл е О С К К Р ос т = 0 ,0 5 М П а 4 56 80 8 2 25 Н , в ы де рж ка 4 6 м ин , п ос ле О С К К Р ос т= 0 ,0 56 М П а, Т р = 7 40 °С 4 56 80 5 1 26 21 + п ос ле О С К К Р ос т= 0 ,0 5 М П а 4 40 60 8 2( 5) сп ла в С И Л О ( А К 12 ) 27 Н в ла ж ны й ас бе ст , в ы де рж ка 8 м ин , Т за л = 7 50 °С 2 95 10 6, 3 3( 4) 28 Т за л= 7 50 °С , ч ер ез 1 40 с Р ос т = 0 ,0 15 М П а 4 84 20 5, 5 4( 3) 29 Т за л = 7 50 °С , ч ер ез 8 0 с Р ос т= 0 ,0 03 М П а 4 53 60 18 ,6 1 сп ла в А К 9 30 ко ки ль в с ух ой п ес ча но й за сы пк е и с те пл ои зо ля ци ей т ор це в (с ни зу а сб ес т то лщ ин ой 8 м м , с ве рх у ва та ), Н 2 м ин , в ы де рж ка 5 м ин , з ал ив ка п ри 7 10 °С 2 53 80 5, 5 8 п р о д о л ж е н и е т а б л . 3 42 ISSN 0235-5884. Процессы литья. 2012 № 4 (94) Новые методы и прогрессивные технологии литья до заданной и поддержание этого давления до окончания затвердевания отливки. Оказалось, что при отсутствии избыточного давления (поз.20) водорода, выделяю- щегося из расплава, было достаточно для компенсации усадки затвердевания и об- разования рассредоточенной обособленной газовой пористости с протяженностью пор до 2 мм и обеспечения 100%-ной герметичности. В то же время избыточное давление 0,5 МПа (поз. 39) воспрепятствовало выделению водорода из наводоро- женного расплава, и отливка формировалась также, как в случае необработанного расплава, когда верхняя часть выполняет функции прибыли по отношению к нижней, поэтому протяженность герметичного участка составила всего 53 %. При промежу- точном избыточном давлении 0,2 МПа (поз. 32) протяженность герметичного участка (63 %) получилась также промежуточной. Оказалось также возможным существенно упростить получение высоких показателей герметичности, например, одним наводо- роживанием расплава влажным асбестом в чугунном тигле при температуре 740 оС с выдержкой 8 мин (поз. 24) либо даже без наводороживания, а только вакуумируя затвердевающую отливку (после ОСКК) до остаточного давления 0,01-0,015 МПа (поз. 22, 25, 28). В последнем случае, по-видимому, было благоприятным содержа- ние водорода и твердых неметаллических включений в исходном расплаве. На сплаве АК9 проверяли только влияние очень низкой интенсивности затверде- вания в кокиле с толщиной стенки 2 мм, окруженном с боковой поверхности сухой песчаной засыпкой, снизу асбестовым слоем толщиной 8 мм, а сверху после заливки огнеупорной ватой. 100%-ная герметичность получена при температуре наводо- роживания и заливки 615-625 оС, то есть при небольшом перегреве (поз. 41, 42). Перед анализом табл. 3 следует, во-первых, сделать логическое предположение, что в нее вошли отливки, у которых на открытой поверхности образовалась плотная затвердевшая корочка, без которой представить двухучастковую герметичность (в нижней и верхней частях) затруднительно. Во-вторых, следует обратить внимание, что 85 % отливок изготовлены из доэвтектического сплава АК5М2. Большинство из них затвердевало при постоянном атмосферном или избыточном давлении, что способствовало образованию утяжин и затрудняло газовыделение из расплава, тем более, что значительное количество отливок формировалось из необработанного расплава. Некоторые отливки (поз. 6, 24-26) в процессе затвердевания вакуумиро- вали, но их расплав либо не подвергался наводороживанию, либо подвергался, но затем чрезмерно долго выстаивал перед заливкой. Что-то необычное произошло с отливкой на позиции 16, которая, судя по комплексу воздействий, должна нахо- диться в табл. 2 на верхних позициях. Из сплава СИЛ-О (АК12) в табл. 3 попали только 3 отливки, из которых две (поз. 27, 28) с высокими показателями герметичности (84-95 %) из-за случайных отклоне- ний в ту или иную сторону стоят на грани между табл. 2 и 3, поэтому не нуждаются в дополнительном анализе. Примерно так же обстоит дело и с третьей отливкой (поз. 29) при сравнении с ее аналогами из табл. 2, у которых показатели герметичности также низкие (поз. 35, 40). По-видимому, из-за очень низкого остаточного давления (0,003 МПа) и, соответственно, интенсивного газовыделения формирование газо- вых пор (раковин) и их влияние на герметичность имели нестабильный характер. Отливка из сплава АК9 (табл. 3, поз. 30) отличается от своих аналогов по табл. 2 (поз. 41, 42) только более высокой температурой наводороживания и заливки расплава (710 оС). Этого оказалось достаточно для резкого падения показателей герметичности, в том числе разделения на части. Повышение перегрева удлинило пребывание отливки в жидкоподвижном состоянии и увеличило количество уда- лившегося водорода. Несмотря на более продолжительное время затвердевания, пористость оказалась ниже, чем в аналогах, и недостаточной для качественной компенсации усадки. Таким образом, на основании выполненных экспериментальных и аналитических исследований можно сделать следующие выводы. ISSN 0235-5884. Процессы литья. 2012 № 4 (94) 43 Новые методы и прогрессивные технологии литья • Питание отливки прибылью осуществляется в три этапа: − опускание жидкости и жидкотвердой массы с образованием сужающейся во- ронки; − опускание твердожидкой массы с уплотнением кристаллического каркаса в верхнем слое и образованием расширяющейся воронки; − локальное выдавливание расплава из твердожидкой массы с образованием сообщающихся каналов переменного сечения. • После прекращения питания прибылью внутреннее давление замкнутого ме- таллоемкого узла определяется либо величиной внешнего давления за вычетом сопротивления затвердевшей корочки деформации в процессе образования утя- жин, либо величиной газового давления в образовавшихся пузырьках за вычетом капиллярного давления со стороны расплава, окружающего пузырьки. Чем ниже внутреннее давление, тем интенсивнее образуются и расширяются газовые пу- зырьки, компенсирующие усадку затвердевания. • Важную роль в формировании бесприбыльной отливки играет образование на открытой поверхности плотной и достаточно прочной корочки, благодаря которой сохраняется наружная конфигурация отливки и происходит регулирование внутрен- него давления: понижение при недостаточном газовыделении и повышение при чрезмерном, благодаря чему поддерживается баланс между объемом газовой фазы и усадкой затвердевания. Образованию такой корочки благоприятствует уменьше- ние скорости перемещения питающего расплава относительно отливки, которое, в свою очередь, создается замедлением процесса затвердевания и интенсифика- цией газовыделения из расплава путем его предварительного наводороживания и вакуумирования затвердевающей отливки. При нулевой скорости относительного перемещения питающего расплава (полная компенсация усадки затвердевания дисперсной газовой фазой при атмосферном давлении) корочка теряет свою роль. • После образования на открытой поверхности отливки плотной корочки и по- нижения внутреннего давления возможно образование утяжин на других участках с увеличением газового зазора между отливкой и формой, в результате чего эти участки затвердевают последними с концентрацией газоусадочных дефектов и на- рушением герметичности. Эффективным средством ликвидации этого недостатка является вакуумирование окружающего отливку пространства. • Экспериментально установлены два комплекса теплосиловых воздействий, обеспечивающих 100%-ную герметичность бесприбыльных силуминовых отливок диаметром 50 мм и высотой 200 мм. Первый комплекс включает высокотемпера- турное (1060±10 оС) наводороживание расплава водяным паром с последующим охлаждением в теплоизолированном тигле автоклава до 750-785 оС, повышение давления до 0,5 МПа, заливку в чугунный кокиль с толщиной стенки 4 мм, а через 20-120 с после заливки понижение давления до атмосферного. Второй комплекс включает наводороживание расплава водяным паром при температуре 740±10 оС, выдержку от 3 до 20 мин, кристаллизацию с интенсивностью, эквивалентной чугун- ному кокилю с толщиной стенки 4 мм, а после образования сплошного кристалли- ческого каркаса вакуумирование до остаточного давления 0,05 МПа. 1. Котлярский Ф. М., Борисов Г. П. Малоотходное литье алюминиевых сплавов. − Киев: Наук. думка, 2007. − 160 с. 2. Котлярский Ф. М. Формирование отливок из алюминиевых сплавов. − Киев: Наук. думка, 1990. − 216 с. 3. Котлярский Ф. М., Борисов Г. П. Влияние теплосилового воздействия на процесс питания отливок из алюминиевых сплавов: Препринт. − Киев: ИПЛ АН УССР, 1979. − 60 с. 44 ISSN 0235-5884. Процессы литья. 2012 № 4 (94) Новые методы и прогрессивные технологии литья 4. Котлярский Ф. М. Исследование процесса формирования отливок из алюминиевокремни- евых сплавов в зависимости от условий питания: Дис. ... канд. техн. наук. − Киев, 1975. − 216 с. 5. Котлярский Ф. М., Борисов Г. П. О состоянии двухфазной области кристаллизующихся силуминов // Процессы литья. − 2006. − № 1. − С. 22-25. 6. Котлярский Ф. М. Водород в алюминиевых сплавах и отливках. − Киев: Освіта України, 2011. − 208 с. 7. Борисов А. Г. О механизме формирования недендритной структуры // Процессы литья. − 2011. − № 5. − С.19-28. Поступила 17.04.2012 УДК 621.74.01-621.74.042-621.74.046 Н. А. Жижкина Восточноукраинский национальный университет имени Владимира Даля, Луганск ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ФОРМИРОВАНИЯ МАССИВНЫХ ВАЛКОВ ПРИ ЦЕНТРОБЕЖНОМ ЛИТЬЕ Изучено формирование массивных отливок, получаемых центробежным методом. Иссле- довано влияние давления вращающегося расплава на напряженно-деформированное со- стояние затвердевшей корки металла рабочего слоя. В результате получены зависимости, позволяющие рассчитать усилие давления вращающегося расплава и оценить напряженно- деформированное состояние корки затвердевшего металла. Установлено, что превышение уровня напряжений литой корки максимально допустимых значений для исследуемого ма- териала приводит к нарушению ее сплошности. Ключевые слова: отливки, центробежное литье, давление, напряженно-деформированное состояние, валки. Вивченню формування масивних виливків, що отримують за допомогою відцентрового лит- ва. Досліджено вплив тиску розплаву, що обертається, на напружено-деформований стан кірки металу робочого шару, що твердне. В результаті отримано залежності, що дозволяють розрахувати зусилля тиску розплаву, що обертається, та оцінити напружено-деформований стан кірки металу, що твердне. Встановлено, що перевищення рівня напружень литої кірки максимально допустимих значень для матеріалу, що досліджується, приводить до порушень її суцільності. Клювові слова: виливки, відцентрове лиття, тиск, напружено-деформований стан, валки. Devoted to study formation of massive castings, which got by centrifugal method. The influence rotated alloys pressure on stress and deformation condition of solid metal crust has been researched. As a result received relations make it impossible to calculate the force of rotated alloy pressure and to value the stress and deformation condition of solid metal crust. It has been established, that level of casted crust stresses excesses maximum permissible value for researched material, its solid is disturbed. Keywords: castings, cеntrifugal casting, pressure, stress and deformation condition, rolls. Массивные валки с рабочим слоем из высокотвердых и износостойких матери- алов изготавливают центробежным методом. Такое литье крупн отоннажных изделий, которое одновременно характеризуется износостойкостью и пластично- 6 7

О факторах формирования бесприбыльных отливок из алюминиевых сплавов

Репозитарії

Схожі ресурси