» » Влияние вакуумирования при литье под давлением на плотность отливок из цинковых сплавов
26.12.2014

Источниками пористости при литье под давлением является усадка сплава, газы, выделяющиеся из твердого раствора при кристаллизации, и воздух, который захватывается жидким металлом в процессе заполнения формы.
Усадочная пористость возникает вследствие затрудненной подачи добавочных порций металла через питатель во время затвердевания отливки. При литье под давлением металл перемешивается с газом и воздухом, пузырьки которых, распределенные по всему объему, находятся под высоким давлением, вызывая перетекание металла в места образования усадочной пористости.
Вторым источником пористости при литье под давлением являются газы, растворенные в жидком сплаве и выделяющиеся из него во время кристаллизации. Анализ состава газов показал, что, кроме воздуха, поры заполняются водородом и окисью углерода. Данные анализа опровергают существующее мнение о том, что при литье под давлением газы не успевают выделиться из твердых растворов вследствие высокой скорости потока и высокого удельного давления обеспечивающих быструю кристаллизацию металла. Основным источником образования пористости является воздух, находящийся в полости формы и захватываемый жидким металлом во время заполнения.
Вопросам удаления воздуха уделялось серьезное внимание с самого начала промышленного применения литья под давлением, но решение этих вопросов шло по пути правильного размещения вентиляционных каналов, промывников и литниковой системы. Такой путь не обеспечивал удовлетворительных результатов из-за сложности гидродинамического процесса заполнения, пока еще не поддающегося ни теоретическим, ни эмпирическим расчетам.
В настоящее время многие исследователи уделяют серьезное внимание удалению воздуха вакуумированием формы до начала ее заполнения.
Для экспериментов выбрана пресс-форма, используемая на Московском заводе малолитражных автомобилей для массового производства детали «основание заводского знака» (рис. 1). Вакуумирование осуществляется с помощью форвакуумного насоса ВН-4, производительностью 59 л/сек через дополнительный рессивер (вакуум-аккумулятор) объемом 1,0 м3. Вакуумная установка (рис. 2), сконструированная для литейной машины типа 511, предусматривает одновременное вакуумирование полости пресс-формы через литниковую систему и помещение всей пресс-формы в вакуумируемый кожух. Такая система обеспечивает в полости формы равномерный и стабильный вакуум до 750 мм рт. ст.
Влияние вакуумирования при литье под давлением на плотность отливок из цинковых сплавов

Вакуумный кожух состоит из неподвижной цилиндрической обоймы 11, закрепленной на основании 15 прессового блока, и подвижной обоймы 3, которая вместе с блоком матрицы 10 присоединяется к постаменту 25 запирающего механизма машины. С целью изменения длины кожуха при установке различных пресс-форм его подвижная часть имеет выдвижную цилиндрическую обойму 7, которая крепится болтами 24. Усилие пружин 6 передается на обойму 7 и прижимает ее к резиновому уплотнителю 22, закрепленному в пазе подвижной части кожуха. Уплотняющее кольцо 5 из вакуумной резины, зажатое кольцевыми хомутиками 23, позволяет сохранять герметичность кожуха при изменении его размеров. Через уплотнения 2 в корпусе кожуха пропущены штоки I, обеспечивающие движение плиты 4 выталкивателей. После смыкания пресс-формы воздух из полости кожуха отсасывается через штуцер 9, соединенный вакуумным шлангом 8 с рессивером.
После заливки металла в прессовой стакан 13 начинается отсос воздуха из полости формы через литниковый ход в пуансоне 12, литниковую втулку 14, отверстие 17 в стакане и штуцер 19, упирающийся в крепежный цилиндр 16 прессового стакана. На штуцер надевается вакуумный шланг 18, подведенный к общему рессиверу. Герметизация штока 20 пятки осуществляется при помощи уплотнения 21.
Конструкция данной установки позволяет исследовать влияние вакуумирования на качество отливок при различных способах удаления воздуха: из полости пресс-формы, из вакуумного кожуха или одновременно из формы и кожуха.
Для определения процентного содержания газов применялся метод расплавления образцов в вакууме с последующим анализом состава газов.
В работе применялся цинковый сплав марки ЦАМ Мг-4-1-0,05, содержащий, кроме цинка (в %), 3, 5—4,5% Al, 0,75—1,25 Cu и 0,03—0,08 Mg (вредных примесей железа не более 0,2 и свинца 0,015).
Исследование газосодержания металлического цинка марки ЦО, проведенное Ю. В. Орловцевым и др., показывает, что количество и состав газов зависят от способа получения чистого цинка (табл. 1).
Влияние вакуумирования при литье под давлением на плотность отливок из цинковых сплавов

Из табл. 1 видно, что в чистом цинке растворяется небольшое количество азота.
Для определения газосодержания отливок из цинковых сплавов был создан прибор (рис. 3), в котором для экстракции газов применяется метод вакуумного плавления, а для анализа газов использован метод микроанализа с низкотемпературной конденсацией.
Перед началом анализа фарфоровая лодочка 2 с образцом помещается в кварцевую трубку 3, которая через водоохлаждаемую муфту 4 соединяется с газоанализатором.
Все краны, обозначенные на рис. 3 индексами К-1, К-2... К-8, перед началом работы закрыты, кроме крана K-1.
Влияние вакуумирования при литье под давлением на плотность отливок из цинковых сплавов

Включается форвакуумный насос (типа НРВ-20), кран K-1 закрывается и открываются краны К-2, К-3 и К-4. Степень вакуума, создаваемого в кварцевой трубке 3 и в системе трубопроводов, измеряется по величине абсолютного давления с помощью вакууметрической лампы ЛТ-2 и измерительного прибора ВИТ-3.
После падения давления до 1—1,5*10в-2 мм рт. ст. с помощью электропечей 1, 13 и 10 нагревается анализируемый образец в кварцевой трубке 3 до 100—120° С, окись меди, находящаяся в кварцевом сосуде 5, до 850— 870° и активированный уголь в сосуде 7 — до 350°. Предварительно открываются краны К-5 и К-6. Так как при первом пуске прибора в сосуде 7 остается воздух под давлением 1 атм, то кран К-6 следует открывать очень медленно во избежание выброса частиц активированного угля.
Затем открываются краны К-7 и К-8 U-образного масляного манометра 8.
Последующее вакуумирование системы осуществляется при отключенном форвакуумном насосе и закрытом кране К-2 за счет охлаждения активированного угля в сосуде 7, который для этого помещается в дюар 9 (термос) с жидким азотом.
После падения абсолютного давления до 1—3*10в-4 мм рт. ст. температура в сосуде 5 снижается до 450°, закрываются краны К-6, К-3 и К-8, а образец в кварцевой трубке 3 расплавляется за счет повышения температуры электропечи 1.
По изменению давления в масляном манометре 8 определяется общее количество газов, экстрагируемых из расплавленного образца. Для определения процента содержания водяных паров в газовой смеси изогнутый участок 6 трубопровода помещается в дюар 12 со смесью сухого льда и ацетона при температуре — 78,5°. При этом водяные пары, содержащиеся в газовой смеси, конденсируются, вызывая падение давления, по которому и определяется их объем.
Влияние вакуумирования при литье под давлением на плотность отливок из цинковых сплавов

При замене дюара 12 дюаром 11 с жидким азотом при — 196° на стенках трубопровода конденсируется двуокись углерода CO2, количество которой также определяется по падению давления в масляном манометре 8.
Водород, содержащийся в газовой смеси, окисляется до воды окисью меди в сосуде 5.
При нагревании окиси меди до 350—370° содержащаяся в газах окись углерода CO окисляется до двуокиси углерода CO2, которая конденсируется в жидком азоте.
Содержание азота определяется как разность между общим количеством газов и количеством водяных паров, водорода, окиси углерода и двуокиси углерода, так как остальные газы, включая и кислород, составляют не более 1—2% от всей газовой смеси. Для определения количества захваченного внутрь отливки воздуха достаточно определить количество азота в отливке и в исходном сплаве.
Результаты анализа газов приведены в табл. 2. Если сплав залит без давления, то содержание газов в металле составляет всего лишь 3,41 см3/100 г. При литье под давлением содержание газов резко возрастает за счет захвата воздуха, находящегося в полости формы. Количество захваченного воздуха можно определить по содержанию азота.
Так как при определении газового состава не удалось обнаружить присутствие кислорода в количестве более 1%, то остается предположить, что кислород воздуха вступает в реакцию с металлом на поверхности пор, образуя пленку окислов, которая снижает прочность, пластичность, ударную вязкость и коррозионную стойкость отливок.
Удаление воздуха из полости формы и кожуха с созданием в полости кожуха вакуума до 700—730 мм рт. ст. приводит к уменьшению количества газов, а следовательно, и газовой пористости, на 30—40%.
Количество газов в различных сечениях показывает (табл. 3), что ближе к питателю пористость увеличивается на 10—15% по сравнению с наиболее удаленными от питателя сечениями отливки. Увеличение пористости металла около места впуска его в форму при высоких скоростях подтверждает теорию эмульсионного заполнения. Для экспериментируемых отливок скорость впуска лежала в пределах 50—60 м/сек. Минимальная газовая пористость, как это видно из табл. 3, наблюдается около промывника.
Характер распределения газовой пористости по сечению отливки сохраняется и при вакуумировании полости формы.
Влияние вакуумирования при литье под давлением на плотность отливок из цинковых сплавов