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.
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).
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.
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.
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.