» » Влияние газовой среды на формирование микрогеометрии поверхности отливок
26.12.2014

Формирование микрорельефа поверхности отливок связано с явлениями, происходящими в контактной зоне металл—форма. При этом во многих случаях газовая среда литейной формы играет заметную роль. В одних случаях газы контактной зоны действуют как упругое физическое тело, препятствующее проникновению расплавленного металла в поры и углубления на поверхности формы или, наоборот, вдавливающееся в металл. В других случаях газовая среда вступает в химическое взаимодействие с металлом или материалом формы, что приводит к образованию новых веществ, которые влияют на качество поверхности в отливках.
В работе рассматривается один из наиболее простых случаев формирования микрорельефа поверхности у отливок, когда в жидком металле, материале формы и газовой среде формы принципиальных изменений не происходит. Этот случай рассматривался ранее Ю. Ф. Боровским и Б. Б. Гуляевым. Поверхностный слой формы представлялся ими состоящим из зерен песка одинакового радиуса, плотно прилегающих друг к другу. В качестве характерного сечения бралась плоскость, нормальная, к поверхности формы и проходящая через центры двух ближайших песчинок (рис. 1, сечение III—III).
Аналогичным образом подошел к решению этого вопроса С. А. Казенное. Предложенная им схема применена для случая, когда глубина вдавливания металла не превышает радиуса песчинки. Шнайдер заметил, что при глубоком проникновении металла в форму, в частности, когда образуется механический пригар, в качестве характерного следует брать сечение, проходящее через просвет между тремя песчинками (рис. 1, сечения I—I и II—II).
Непосредственное изучение поверхности формы показывает, что песчинки, составляющие поверхностный слой формы, фактически не плотно прилегают друг к другу. В большинстве случаев между соседними песчинками имеется заметный зазор. На основании сказанного предлагается несколько уточненная схема строения поверхностного слоя формы, выполненного из зернистых материалов. Схема в целом соответствует трем условиям (рис. 2):
1) песчинки имеют форму шаров одинакового радиуса Rп,
2) песчинки в поверхностном слое формы размещены равномерно (центры соседних песчинок в сечении, характеризующем наибольший просвет между ними, расположены друг от друга на расстоянии 2φRц, где φ — коэффициент, характеризующий плотность упаковки песчинок в поверхностном слое формы);
3. Максимальная глубина проникновения металла между песчинками будет на оси X—X наиболее удаленной от обеих песчинок; в первом приближении можно принять, что образующийся здесь мениск является шаровым сегментом.
Влияние газовой среды на формирование микрогеометрии поверхности отливок

В зависимости от степени проникновения металла между песчинками при условии, что механический пригар еще не имеет места, могут встретиться три разновидности шероховатостей поверхности у отливок (рис. 2).
Кривая I. Металл не проникает в форму; при этом на поверхности металла образуются неглубокие вогнутости. Подобный тип микронеровностей поверхности называют иногда газовой шероховатостью.
Кривая II. Выпуклости на поверхности имеют вид неровностей с пологими склонами, что обусловливает плавный профиль микрорельефа; характерно для неглубокого проникновения металла между песчинками.
Кривая III. Выступы неровностей в верхней своей части отличаются крутыми склонами. Микрорельеф включает в себя пикообразные образования; характерно для глубокого проникновения металла в поверхностные поры формы.
Влияние газовой среды на формирование микрогеометрии поверхности отливок

При поднятии контактной точки k выше оси 0—0 имеет место механический пригар.
Пользуясь рис. 2, можно вывести уравнение для кривых II и III
Влияние газовой среды на формирование микрогеометрии поверхности отливок

где h1 — высота шероховатостей поверхности у отливок при условии, что модельная оснастка не имеет шероховатостей, см; Rм-радиус мениска на переднем крае короткого суживающегося потока, вдавливающегося в поверхностные поры формы, см; θ — краевой угол смачивания материала песчинок металлом.
Для многих случаев с учетом гистерезиса смачивания можно принять θ = 180°. Тогда cos θ = -1, и из уравнения (1) получим
Влияние газовой среды на формирование микрогеометрии поверхности отливок

Значение Rм можно установить из условий равновесия поверхности металла в контактной зоне металл—форма. С достаточной степенью точности можно принять, что капиллярное давление Pσ в сумме с избыточным давлением газовой среды формы ΔPг уравновешивается давлением расплавленного металла Pм.
Влияние газовой среды на формирование микрогеометрии поверхности отливок

Давление металла определится выражением
Влияние газовой среды на формирование микрогеометрии поверхности отливок

где р — плотность металла, г/см3; g — ускорение силы тяжести, 981 см/сек2; Hp — высота столба металла, создающего давление, см (если давление создается принудительно, то Hp означает высоту эквивалентного столба заливаемого металла).
Величина капиллярного давления, препятствующего вдавливанию металла в форму, определится уравнением Лапласа
Влияние газовой среды на формирование микрогеометрии поверхности отливок

где σ — поверхностное натяжение металла, дин/см; Rй и R 2 — радиусы кривизны поверхности раздела жидкой и твердой фаз в двух перпендикулярных направлениях.
В нашем случае R1=R2=Rм, и уравнение (5) принимает вид
Влияние газовой среды на формирование микрогеометрии поверхности отливок

Избыточное давление газовой среды литейной формы ΔPr выразим через эквивалентный гидростатический напор заливаемого металла Нр.э.г.
Влияние газовой среды на формирование микрогеометрии поверхности отливок

Тогда из (3)—(7) получим
Влияние газовой среды на формирование микрогеометрии поверхности отливок

где a = √2σ/pg—капиллярная постоянная, характеризующая способность данного сплава заполнять капиляры.
Нр.э.г. можно вычислить, используя выражение
Влияние газовой среды на формирование микрогеометрии поверхности отливок

где рнg — плотность ртути = 13,55 г/см3; ΔP'г— избыточное давление газовой среды литейной формы, см рт. ст.
Если давление газовой среды литейной формы равно атмосферному (например, для случая заливки в оболочковые формы без применения специальных газовых сред), то ΔPг = 0 и выражение (8) упрощается:
Влияние газовой среды на формирование микрогеометрии поверхности отливок

В табл. 1 даны значения σ, р и а2 для некоторых металлов и сплавов.
Влияние газовой среды на формирование микрогеометрии поверхности отливок

Из построения на рис. 2 получается, что нормальная шероховатость без поднутрений будет иметь место лишь для случая
Влияние газовой среды на формирование микрогеометрии поверхности отливок

При большем значении φ будет наблюдаться механический пригар.
Для а2, φ и Hр существует критическое значение радиуса песчинки Rп.кp., с превышением которого на поверхности отливок будет иметь место механический пригар. Преобразуя формулу (11) с использованием формулы (10), получим
Влияние газовой среды на формирование микрогеометрии поверхности отливок

где а2 — величина, характеризующая свойства сплава; φ — величина, характеризующая способ получения поверхностного слоя формы;
Hp — развиваемые в форме давления (при обычной заливке Hp фактически характеризует геометрические размеры отливки и литейной формы).
По приведенным формулам построены номограммы для определения Rm (рис. 3—5) и h1 при Rм=0,1 мм и Rм=0,4 мм.
Влияние газовой среды на формирование микрогеометрии поверхности отливок

Порядок пользования номограммами рассмотрим на примере изготовления двух отливок с Hр=20 см: из сплава Ал4 и из серого чугуна с 2% Si. В табл. 1 находим, что а2 равно 0,7см2 для сплава Ал4и0,23 ж 0,2см2 для чугуна. По рис. 3 определяем значение Rм для чугуна (0,1 мм) и для Ал4 (= 0,4 мм). В обоих случаях пользуемся одним и тем же кварцевым песком со средним размером зерен 2Rп=0,2 мм, φ = 1,5. По рис. 4 устанавливаем, что для чугуна в этом случае высота шероховатостей h1 составит около 70 мк. Соответственно для Ал4 по рис. 5 найдем h1 = 25 мк. В первом случае чистота поверхности будет соответствовать V 3, во втором V 4. Из этих же рисунков видно, что в рассматриваемых условиях для избежания образования механического пригара в отливке из чугуна необходимо обеспечить φ=2, в алюминиевой отливке φ<5.
Предположим, что необходимо обеспечить в отливках высоту шероховатостей h1<10 мк. Из рис. 4 устанавливаем, что для чугунной отливки облицовочный слой формы в этом случае должен быть выполнен из песка с Rп<0,08 мм; для алюминиевой отливки соответственно по рис. 5 находим 2 Rп<0,14 мм.
Влияние газовой среды на формирование микрогеометрии поверхности отливок

Результаты расчетов были проверены экспериментально на цилиндрических деталях из сплава Ал4. Высота деталей составляла 200 мм, внутренний диаметр 80 мм, толщина стенки плавно изменялась от 4 до 16 мм. Детали отливались в металлическую форму. При свободной заливке внутренние поверхности оформлялись оболочковыми стержнями, изготовляемыми из плакированных песков различной зернистости и минералогического состава. Поверхность отливок очищалась в мыльной воде волосяными щетками, что обеспечивало сохранение полученного при литье микрорельефа. Величина шероховатостей определялась по данным замеров на двойном микроскопе Линника.
Основные результаты экспериментов с отливками из алюминиевого сплава сведены в табл. 2, из которой следует, что размер песчинок оказывает решающее влияние на высоту шероховатостей поверхности в отливках: с уменьшением 2 Rg от 0,2 до 0,05 мм чистота поверхности закономерно улучшается с V 3—4 до V 7—8. Влияние минералогического состава песчинок обнаружено не было. Средний коэффициент упаковки песчинок в поверхностном слое оболочкового стержня, определенный путем непосредственных замеров, равнялся 1,5—1,6. На рис. 6 показана кривая для значения φ, равного 1,5 и 2,0, построенная по приведенным выше формулам (результаты экспериментов отмечены точками). Соответствие экспериментальных данных с расчетными показывает на возможность использования выведенных формул для практических целей, если процесс формирования микрорельефа поверхности соответствует рассматриваемому нами случаю.