» » Образование воздушной пористости при литье под давлением
26.12.2014

Процесс литья под давлением характеризуется высокими скоростями прессования, турбулентным, струйчатым и даже капельным движением расплавленного металла и соответственно захватом воздуха из полости формы во внутрь отливки. Воздушная пористость нередко приводит к браку, вскрывающемуся при механической обработке.
Для разработки конструкторских и технологических мероприятий по повышению качества литья под давлением необходим тщательный анализ причин возникновения воздушной пористости.
Понятие воздушная пористость следует считать условным, так как состав газов в порах не соответствует составу воздуха. Исследования показали, что газы, заполняющие поры отливок, не содержат кислорода.
Образование воздушной пористости происходит в период заполнения полости формы расплавленным металлом. Характер заполнения зависит от скорости впуска, т. е. скорости струи металла в момент выхода из питателя и удара о стержень или стенку, от соотношения толщин питателя и отливки, от температурных условий в форме, от физических свойств заливаемого металла.
Все многочисленные схемы заполнения можно свести к двум основным типам, которые охарактеризованы в литературе как спокойное и эмульсионное заполнение.
К спокойному заполнению причисляют все виды сплошного движения металла, т. е. такого движения, при котором не происходит отрыв отдельных струй и капель от потока в момент удара его о стенку формы. Спокойное заполнение наблюдается при скоростях впуска меньше 15 м/сек.
Движение металла в сплошном потоке может быть как ламинарным, так и турбулентным в зависимости от величины критической скорости впуска
Образование воздушной пористости при литье под давлением

где Re — критерий Рейнольдса; v — кинематический коэффициент вязкости жидкого металла, м2/сек; H — толщина отливки, м; h — толщина питателя, м.
Если скорость впуска выше 2—5 м/сек, то и в свободно летящей струе и в образующихся после удара пристеночных потоках движение расплавленного металла носит турбулентный характер (рис. 1, а). Ламинарное движение сохраняется только в пограничном слое, в котором возникают силы трения о стенки формы, тормозящие весь поток. Вновь поступающие порции металла отжимаются во внутрь полости, образуя сплошной поток, названный Фроммером гидравлическим подпором (рис. 1, б).
Образование воздушной пористости при литье под давлением

Вихревое движение металла на поверхности гидравлического подпора приводит к захвату воздуха, пузырьки которого распределяются по сечению потока в зоне максимальных скоростей (рис. 1, в). После окончания заполнения и затвердевания воздух остается внутри отливки, причем в пристеночных слоях на глубине, соответствующей толщине пограничного слоя во время заполнения, пористость не наблюдается.
Удалить воздушную пористость из заполненной формы невозможно, ее можно только сжать под действием высокого удельного давления на металл.
Основным методом борьбы с пористостью является исключение захвата воздуха, которое возможно только при ламинарном движении гидравлического подпора.
Анализ формулы (1) показывает, что повышение критической скорости впуска Wкр, т.е. создание ламинарного потока, прямопропорционально повышению кинематической вязкости v металла. Чем выше вязкость, тем выше скорость впуска. При литье под давлением высокие скорости впускаемой струи, несущей большой запас кинетической энергии, позволяют получать четко оформленные отливки сложной конфигурации.
Образование воздушной пористости при литье под давлением

В таблице приведены значения критических скоростей при различных температурах для цинкового и алюминиевого сплава для отливки с толщиной стенки отливки H = 5 мм и толщиной литника A = 3 мм. Результаты расчета, приведенные в табл., показывают преимущество заливки при температурах ниже начала кристаллизации. Этот метод заливки сплавов в затвердевающем состоянии широко используется в практике литейных цехов, особенно для сплавов с большим интервалом кристаллизации, например Ал-1OB.
Формулу (1) для расчета критической скорости впуска можно представить в виде, более удобном для анализа (рис. 2).
Образование воздушной пористости при литье под давлением

С увеличением толщины отливки H значения критических скоростей уменьшаются — раньше появляется возможность турбулентного возмущения потока. Следовательно, добиться ламинарного заполнения и удаления воздуха из толстостенных отливок (Н≥10 мм) практически очень трудно.
Из рассмотрения семейства кривых, построенных по формуле (2), на рис. 2 видно, что крутизна их резко падает с увеличением отношения h/H.
Из графика определен практический диапазон отношения толщины питателя к толщине отливки
Образование воздушной пористости при литье под давлением

В этом диапазоне можно получать отливки с минимальной воздушной пористостью.
При ламинарном движении нет захвата воздуха, но возможно выделение газов из твердых растворов в момент начала кристаллизации. Исследования состава газа в порах алюминиевых отливок обнаружили повышенное содержание водорода, опровергая тем самым распространенное мнение, что при литье под давлением газы не успевают выделиться.
При ламинарном движении наблюдается вынос пузырьков газа в зону максимальных скоростей, т. е. в центр потока, теоретически обоснованный Москвиным П.П. для литья под давлением и Тарутиным В. Я. — для литья выжиманием.
Необходимо учитывать, что при движении потока металла с переменной вязкостью закон распределения скоростей по сечению значительно отличается от параболического и выражается формулой
Образование воздушной пористости при литье под давлением

где Wcp — средняя скорость потока, определяемая из уравнения неразрывности для системы отливка — камера сжатия, м/сек; В — постоянная величина, определяемая с помощью графической зависимости вязкости от температуры для данного сплава по методике работы; H — толщина отливки, м.
Построение графической зависимости по формуле (3) и по параболическому закону для жидкости с постоянной вязкостью по формуле
Образование воздушной пористости при литье под давлением

показывает увеличение зоны максимальных скоростей, объясняющее наличие пористости даже при ламинарном движении металла в полости формы (рис. 3).
Спокойное заполнение при сравнительно малых скоростях впуска не обеспечивает четкого оформления рельефных поверхностей и тонких сечений отливок сложной конфигурации. Для таких отливок приходится использовать большие скорости впуска (свыше 30—40 м/сек).
Образование воздушной пористости при литье под давлением

Поток металла, ударяясь на большой скорости о стержень или стенку формы, разбивается на отдельные капли, которые перемещаются в полости формы (рис. 4) по самым разным траекториям. Образуется эмульсия металла в воздухе, перемещающаяся по направлению к питателю. Часть ц капель металла «замерзает» на стенках формы, превращаясь в сплошную твердую оболочку. К моменту заполнения эмульсией всей полости, отмеченному в литературе как «мнимое заполнение», оболочка замыкается и удаление воздуха через вентиляционные каналы прекращается. Густота эмульсии увеличивается, наступает момент соединения отдельных капель между собой с образованием воздушной пористости по всему сечению отливки.
Таким образом, при эмульсионном заполнении пористость становится неизбежной.
Пористость равномерно распределяется по сечению отливки, в том числе и около самой поверхности. Так как воздух в порах сжат под большим давлением, то при дальнейшем нагреве в процессе термической обработки наблюдается вздутие пузырьков на всей поверхности отливок.
Скоростные киносъемки и количественный анализ газов методом вакуумной экстракции показали, что пористость возрастает по длине отливки в направлении от дальнего конца к питателю.
Образование воздушной пористости при литье под давлением

При одном и том же количестве воздуха, оставшегося в отливке, размеры пор могут быть разные. Чем выше скорость потока в момент удара, тем мельче образующиеся капли металла и тем меньше размеры пор. При скорости впуска свыше 120 м/сек воздушная пористость становится незаметной для глаза. Повышение удельного давления на металл также вызывает уменьшение размеров пор, поскольку газы в порах сжимаются.
Можно добиться снижения воздушной пористости созданием правильных тепловых условий в форме. Если повысить температуру стенок формы, то можно добиться отсутствия твердой оболочки. При этом воздух вытесняется из эмульсии по линии разъема формы до момента сливания отдельных капель в общуюмассу. Объем пористости снижается на 20—40%.
Для создания благоприятных тепловых условий необходимо правильно рассчитать технологические режимы литья, особенно время заполнения т, которое определяется по формуле
Образование воздушной пористости при литье под давлением

где тсв — время свободного полета потока до удара о стенку формы (сек), равное пути, деленному на скорость; с' —удельная теплоемкость жидкого металла, ккал/кг °С; y'—удельный вес жидкого металла, кг/м3; сф и уф — удельные теплоемкость и вес материала формы; λф — коэффициент теплопроводности материала формы, ккал/м час °С; H—толщина отливки, м; tзал — температура жидкого металла в начале заполнения (°С), определяется по методике, предложенной в работе; tф — температура стенок формы, °С; t — температура жидкого металла в любой момент заполнения, °С.
Подставляя значения физических характеристик формы и жидкого металла в формулу (4), получим выражение, более удобное для практического пользования (при условии — материал формы сталь ЗХ2В8)
Образование воздушной пористости при литье под давлением

где H — толщина отливки, мм; К — постоянная величина (для алюминиевых сплавов 0,216, для цинковых 0,387 и для свинцово-сурмянистых 0,177).
На рис. 5 представлены графические зависимости времени от температуры при заполнении прямоугольной отливки длиной 85 мм и толщиной 4 мм со скоростью впуска металла 30 м/сек.
Выражение (6) в условиях заливки различными сплавами можно представить в цифровом виде:
а) для алюминиевого сплава Ал2 при 1ф = 150° (кривая 1)
Образование воздушной пористости при литье под давлением

б) для цинкового сплава ЦАМ-4-3 при = 100° (кривая 2)
Образование воздушной пористости при литье под давлением

в) для свинцово-сурмянистого сплава (80% Pb, 20% Sb) при tф = 100° (кривая 3).
Образование воздушной пористости при литье под давлением

На рис. 5 пунктиром обозначены те же зависимости при толщине отливки 3 мм.
Расчетное время заполнения выбирается из условия, что температура металла не должна падать ниже температуры кристаллизации, которая для сплавов с большим интервалом кристаллизации равна среднему значению температур начала и окончания затвердевания.
Одним из путей борьбы с воздушной пористостью при эмульсионном заполнении является использование промывников — резервуаров, в которые перегоняются первые порции эмульсии, содержащие много воздуха.
Наиболее эффективным методом борьбы с воздушной пористостью следует признать вакуумирование полости формы при литье под давлением.
Образование воздушной пористости при литье под давлением