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.
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.
При поднятии контактной точки k выше оси 0—0 имеет место механический пригар.
Пользуясь рис. 2, можно вывести уравнение для кривых II и III
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
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.
Давление металла определится выражением
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
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
Избыточное давление газовой среды литейной формы ΔPr выразим через эквивалентный гидростатический напор заливаемого металла Нр.э.г.
Тогда из (3)—(7) получим
где a = √2σ/pg—капиллярная постоянная, характеризующая способность данного сплава заполнять капиляры.
Нр.э.г. можно вычислить, используя выражение
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:
В табл. 1 даны значения σ, р и а2 для некоторых металлов и сплавов.
Из построения на рис. 2 получается, что нормальная шероховатость без поднутрений будет иметь место лишь для случая
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
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.
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.
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.