» » Литье сплавов систем Al-Mg и Al-Zn-Mg в песчаные формы
08.02.2017

Основную массу литых деталей изготовляют в разовых песчаных формах из-за универсальности этого метода отливки, внедряя новые технологические приемы, а также механизируя и автоматизируя изготовление песчаных форм и стержней. При литье в песчаные формы до 50% затрачиваемого труда приходится на изготовление форм и стержней и до 50% дефектов литья в той или иной степени обусловлены материалом формы.
Для приготовления формовочных и стержневых смесей применяются материалы, химически инертные по отношению к сплавам. Это — кварцевые, тощие, полужирные и жирные пески, формовочные глины, связующие и вспомогательные материалы.
Для получения высококачественных отливок формовочные и стержневые смеси должны обладать следующими основными свойствами: 1) текучестью, т. е. способностью заполнять углубления и выступы на моделях, принимать под давлением любую форму и сохранять ее; 2) податливостью, т. е. способностью уменьшаться в объеме под действием усадки остывающей отливки; 3) необходимой прочностью и газопроницаемостью в сыром и сухом состояниях; 4) минимальной газотворностью; 5) малой склонностью к объемным изменениям или нагреве; 6) долговечностью, выбиваемостью и дешевизной.
По характеру использования формовочные смеси подразделяются на единые, облицовочные и наполнительные (табл. 76).
Литье сплавов систем Al-Mg и Al-Zn-Mg в песчаные формы

Единая формовочная смесь применяется для изготовления всей формы. Она нашла наиболее широкое применение на участках машинной формовки. Облицовочная смесь служит для изготовления слоя формы, непосредственно прилегающего к модели (толщина слоя 10—50 мм), и должна обладать повышенной текучестью и пластичностью для получения четкого отпечатка модели. Наполнительная смесь служит для заполнения формы после нанесения облицовочного слоя.
В табл. 77 приводятся типовые рецептуры формовочных смесей.
Литье сплавов систем Al-Mg и Al-Zn-Mg в песчаные формы

Смеси выбираются в зависимости от свойств сплава и требований, предъявляемых к литым деталям, от конфигурации и сечений отливки, а также от наличия соответствующих марок песков.
Для мелкого и среднего литья рекомендуются формовочные смеси типа Ф-I или Ф-II; для крупного литья и литья, требующего повышенной газопроницаемости смеси, целесообразно применять синтетические формовочные смеси типа Ф-III. Необходимо подчеркнуть, что при литье коррозионностойких сплавов, особенно сплавов системы Al-Mg, в формовочную смесь следует добавлять борную кислоту (4—5%) или присадку BM, что предотвращает взаимодействие сплавов с формой и повышает качество литья (табл. 78).
Литье сплавов систем Al-Mg и Al-Zn-Mg в песчаные формы

Для мелкого литья при наличии в сплавах не менее 0,05% Be содержание борной кислоты или присадки BM может быть снижено до 2%.
В табл. 79 даны типовые составы стержневых смесей для литья из сплавов с повышенным содержанием магния.
В стержневую смесь борную кислоту можно не вводить, а опрыскивать сырые стержни 2—3%-ным раствором борной кислоты.
При разработке технологии получения детали необходимо решение следующих основных вопросов: 1) выбор метода изготовления детали; 2) определение расположения отливки в форме и линии разъема формы; 3) установление припусков на усадку и механическую обработку, величины уклонов, радиусов закруглений и галтелей; 4) определение конструкции и мест подвода литниково-прибыльной системы.
Для решения большинства из этих вопросов необходим чертеж отливаемой детали и технические условия. Технологию литья разрабатывают применительно к производственным возможностям литейного цеха — с учетом имеющегося оборудования, материалов и приспособлений.
Литье сплавов систем Al-Mg и Al-Zn-Mg в песчаные формы
Литье сплавов систем Al-Mg и Al-Zn-Mg в песчаные формы

Расположение отливки в форме определяют, исходя из следующих соображений. Обрабатываемые поверхности отливок следует располагать внизу, так как сплав в нижних слоях более плотный, а неметаллические включения (шлак, песчинки, флюсы, пузырьки газа) обычно всплывают к верху формы. Массивные тепловые узлы отливок, затвердевание которых заканчивается в последнюю очередь, следует располагать вверху для облегчения условий их пропитки и компенсации усадки сплава. Крепление стержней и простановку холодильников следует предусматривать в нижней половине формы; также внизу следует располагать и крупные земляные болваны. Обрабатываемые отливки цилиндрической формы (втулки и др.) следует отливать в вертикальном положении; когда же для удобств формовки эти отливки имеют горизонтальный разъем, заливку форм рекомендуется производить с кантовкой. Разъемы снижают точность и чистоту поверхности отливок, однако избежать их практически невозможно. Поэтому при определении направления разъема стремятся к тому, чтобы поверхность разъема была единственной и плоской. Плоскость разъема должна проходить по верхним горизонтальным поверхностям так, чтобы по возможности не пересекать вертикальные стенки. Кроме того, участки отливок, которые служат базой при последующей механической обработке, а также наиболее ответственные части отливок должны быть образованы одними элементами формы (в одной половине формы).
Припуск на механическую обработку отливок должен быть наименьшим (для уменьшения количества стружки и затрат на обработку), но достаточным для получения необходимой точности и чистоты поверхностей. Величина припусков зависит от габаритов отливки и расположения обрабатываемых поверхностей.
Припуск на усадку назначают исходя из величины линейной усадки сплава с учетом производственного опыта, так как фактическая усадка отливок может быть различной у разных отливок и в различных местах одной отливки из-за затрудненной усадки.
Для облегчения извлечения модели из формы или стержня из стержневого ящика выбирают формовочный уклон в зависимости от высоты модели и способа формовки (от 30' до 3°).
Резкие переходы от одной толщины стенки отливки к другой, а также острые углы могут стать причиной брака по усадочным раковинам, трещинам, пригару и т. п. Поэтому следует предусматривать необходимые радиусы закруглений и галтелей, величина которых зависит в основном от толщины сопрягаемых стенок.
Для увеличения прочности отливок, а также во избежание коробления и образования трещин при затвердевании или термической обработке предусматриваются технологические приливы, ребра жесткости, стяжки и т. п., которые впоследствии удаляются при механической обработке. Эти технологические меры часто бывают необходимыми для отливок с развитой поверхностью, особенно тонкостенных.
При заливке деталей с арматурой (втулки, вкладыши, трубки и др.) необходимо обеспечивать соединение арматуры с материалом отливки путем нарезки, заточки, насечек, фрезерования канавок и т. п. Арматура не должна иметь острых граней, которые вызывают появление надрезов в отливке.
Литниковые системы для изготовления деталей из широкоинтервальных и легкоокисляемых сплавов значительно отличаются от литниковых систем, применяемых для литья других сплавов, и должны отвечать следующим требованиям: а) обеспечивать плавное заполнение формы сплавом; б) задерживать неметаллические включения, находящиеся в жидком сплаве; в) обеспечивать в процессе затвердевания отливки направленное развитие кристаллизации сплава (от узла отливки к прибыли); г) расходовать на заполнение литниковой системы, выпоров и прибылей как можно меньше сплава.
Заполнение формы жидким металлом является гидравлическим процессом, т. е. он подчиняется законам гидравлики, и отличается лишь явлениями, вызываемыми тепловыми и физико-механическими процессами, происходящими как в жидком металле, так и на границе жидкого материала с окружающей средой.
Тепловые и физико-химические процессы оказывают существенное влияние на течение жидкого металла в каналах литейной формы и являются определяющими для выбора режимов заполнения формы. Степень влияния этих процессов зависит от физико-химической природы заливаемого сплава и свойств формы.
Особенностью песчаной формы является ее газопроницаемость, вследствие чего поток металла сообщается с атмосферой и газами, образующимися в форме при заливке. В связи с этим при определенных условиях в отдельных сечениях литниковых каналов возможно разрежение и подсос воздуха (газов) через стенки формы, что приводит к искажению гидродинамических характеристик потока.
Поверхность жидких сплавов особенно интенсивно окисляется во время перелива их из ковша в форму и течения по каналам литейной формы, а потому движение сплава происходит в оболочке («чулке») из окисной пленки алюминия. При высоких линейных скоростях движения сплава в каналах формы возможен разрыв окисной пленки и замешивание ее в поток (струю) движущегося сплава, увеличение инжекции воздуха через литниковые каналы и турбулентность потока. При турбулентном движении и инжектировании воздуха через стенки формы сплав перемешивается с воздухом (или газами), окисляемость его увеличивается и в потоке металла образуются так называемые вторичные шлаки. Непрерывное перемешивание металла затрудняет отделение от него образовавшихся шлаков.
Неправильно протекающий процесс заполнения форм сплавами приводит к появлению в отливках неметаллических включений: пены (смесь окислов и частиц металла с воздухом), шлаков, окисных пленок и других видов дефектов.
Ho способу подвода сплава к форме литниковые системы подразделяются на следующие группы: 1) сифонные (с нижним подводом); 2) дождевые (с верхним подводом); 3) ярусные (с подводом по разъему формы на определенном уровне отливки); 4) вертикально-щелевые; 5) комбинированные. Для фасонного литья алюминиевомагниевых сплавов в 90—95% случаев получили распространение литниковые системы сифонного типа и в 10—5% случаев — верхние, вертикально-щелевые и комбинированные, в которых сочетается несколько видов литниковых систем.
Литниковые системы при литье сплавов, легко окисляющихся в жидком состоянии, должны строиться по принципу свободного слива, при этом площади сечения стояков, коллекторов и питателей должны относиться как 1:2:3. Этот принцип должен обязательно соблюдаться как при сифонном (нижнем) подводе металла в форму, так и при подводе металла через вертикальные щелевые питатели. При таком соотношении элементов литниковой системы обеспечивается спокойное, без завихрений заполнение формы металлом, и благодаря этому уменьшается возможность образования в отливках дефектов, которые могут быть вызваны разрывом окисной пленки на жидком металле при его движении по литниковым каналам.
В зависимости от конструкции отливки и предъявляемых требований к ее механическим свойствам и плотности литниковые системы могут отличаться друг от друга типом стояков, питателей, формой прибылей и их расположением. При выборе типа стояков необходимо руководствоваться высотой формы. При формах высотой до 400 мм целесообразно применять круглые стояки, которые легко выполняются в процессе изготовления формы, а при заливке не вызывают опасности увеличения скорости движения металла в стояке и при входе его в коллектор (рис. 71).
Литье сплавов систем Al-Mg и Al-Zn-Mg в песчаные формы

Круглые стояки не рекомендуется применять при заливке форм высотой более 400 мм. В этом случае их следует заменять стояками прямоугольного сечения. Такие стояки представляют собой сухие стержневые закладки, изготавливаемые в специальных ящиках из стержневой смеси того же состава, которая употребляется для изготовления стержней. Закладки устанавливают в форму в вертикальном положении, а если позволяют опоки — с наклоном 10—15°, что способствует более спокойному заполнению формы металлом.
Сечение и число стояков выбирают из расчета удельного расхода металла в зависимости от металлоемкости формы и толщины стенок отливки. Практика показывает, что отливки из Al—Mg сплавов получаются удовлетворительного качества при поступлении металла в форму со скоростью 1,5—2,0 кг/с при отливках массой 25—50 кг, 2,5—3,0 кг/с — при отливках 50—150 кг и 3,5—4,5 кг/с — при отливках массой более 150 кг. Диаметр круглых стояков при этом следует выбирать в пределах 12—18 мм. При применении стояков больших диаметров усиливается процесс образования в металле шлаковых включений и окисных пленок при заливке формы, отчего ухудшается качество отливок. Сечения прямоугольных стояков должно быть; 6х40, 8х40 и 8х60 мм.
При тонкостенных отливках формы следует заполнять по возможности быстро. Высокой скорости заполнения можно, например, достигнуть при использовании двухъярусной литниковой системы, что особенно необходимо в случае заливки высоких форм (рис. 72,а), где медленное заполнение формы приводит к образованию в отливках усадочных рыхлот и неспаев. При литье отливок с толстыми стенками медленное заполнение формы может вызывать «пригары» металла вследствие местных перегревов формы.
Литье сплавов систем Al-Mg и Al-Zn-Mg в песчаные формы

Заполнение отливок со стенками толщиной 8—10 мм и высотой более 400 мм необходимо производить через вертикальные ш;елевые питатели. Получить такие отливки с помощью нижнего подвода металла практически невозможно. Сифонную заливку при литье можно применять при отливках со стенками толщиной не менее 20—30 MM и высотой не более 400 мм. Механические свойства и плотность таких отливок, залитых сифоном и через вертикальные щелевые питатели, практически одинаковы. Сифонная заливка высоких отливок не обеспечивает хорошего качества литья: нижние зоны отливок поражаются усадочными рыхлотами, т. е. обладают низкими механическими свойствами.
Крупные отливки (массой более 150 кг), высота формы которых достигает 1000—1200 мм, следует залить через вертикальные щелевые питатели (рис. 72,б).
Толщина вертикальных щелевых питателей определяется толщиной стенки отливки и должна быть подобрана так, чтобы затвердевание металла в отливке несколько опережало затвердевание металла в питателях. При таком условии вертикальные питатели выполняют роль не только распределителей металла по форме, но и местных прибылей, способствующих питанию прилегающих к ним объемов отливки горячим металлом, поступающим из колодцев. Вертикальные щелевые питатели и соединенные с ними колодцы делают с уширением кверху не только для удобства формовки, но и для того, чтобы сохранить соотношение толщин питателя с увеличивающимися кверху толщинами стенок отливки.
Число вертикальных щелевых питателей выбирают, исходя из периметра отливки, высоты формы и толщины стенок отливки. Для высоких отливок вертикальные щелевые питатели устанавливают через каждые 30—45°; для низких отливок, где действие верхней прибыли на питание нижних зон отливки сильнее, щелевые питатели могут быть установлены через 60—90°.
Крупные отливки следует заливать через металлоемкие литниковые чаши. Отверстие в чаше перед заливкой закрывают пробкой толщиной 5—7 мм, выточенный из куска сплава заливаемой марки. Пробка, закрывая отверстие в чаше, позволяет накопить в ней металл, а после своего расплавления подать его с большим напором через стояки в литниковую систему. Такая заливка дает возможность быстро заполнять литниковую систему и благодаря этому уменьшать инжекцию воздуха при движении металла по стояку и при входе его в полость формы.
Основная масса шлаковых включений образуется в литниковых ходах, по-видимому, в первые моменты заливки формы, когда литниковая система некоторое время остается незаполненной и жидкий металл в коллекторе контактирует с атмосферой. Образованию шлаковых включений способствуют также завихрения в металле при движении первых его порций, поступивших из стояка в металлоприемник. Поэтому во избежание образования шлаковых включений в отливках следует главным образом правильно выбирать литниковую систему и строго соблюдать правила заливки.
На чистоту и плотность металла в отливках из сплавов Al—Mg неблагоприятно влияют удлиненные пути движения металла по литниковым ходам и в полости формы, так как это приводит к перегреву стержней и к выгоранию из них защитных присадок. Литниковые системы при литье этих сплавов должны обеспечивать такое заполнение и такой тепловой режим формы, чтобы затвердевание отливки протекало строго направленно. Направленность затвердевания при литье сплавов Al—Mg в связи с особенностями их кристаллизации имеет большее значение, чем при литье силуминов.
При затвердевании эвтектических сплавов, имеющих относительно небольшой интервал кристаллизации, кристаллическая фаза нарастает главным образом от стенок формы, и благодаря этому значительная доля металла в средней части стенок отливки в процессе кристаллизации остается в полужидком состоянии. Это создает благоприятные условия для перетекания жидкого металла из прибыли в нижние зоны отливки, необходимого для восполнения объемной усадки сплава в процессе затвердевания. В противоположность этому при затвердевании сплавов с широким интервалом кристаллизации преобладает объемная кристаллизация, т. е. жидкость при достижении необходимого переохлаждения почти одновременно заполняется образовавшимися дендритами. Отсутствие в таком случае достаточной переходной зоны металла уже в начале процесса кристаллизации затрудняет питание нижних стенок отливки жидким металлом из прибыли. Вследствие этого, как показывают исследования сплавов Al—Mg, плотность и механические свойства тонких стенок отливок, удаленных от прибыли, очень часто значительно ниже плотности и механических свойств более толстых стенок, прилегающих к прибыли, чего, как правило, не наблюдается в отливках из силуминов.
Опыт работы показывает, что при литье сплавов типа АЛ8 необходимо применять металлоемкие открытые прибыли и устанавливать их вертикально над стенками отливки. Боковые прибыли малоэффективны и не обеспечивают хорошего качества отливок. При необходимости пользования закрытыми прибылями они должны сообщаться с атмосферой с помощью возможно большего числа вертикальных каналов диаметром не менее 30—40 мм. Прибыли иногда приходится разделять на несколько частей (сегментов) с зазорами между ними не более 25—30 мм; при больших зазорах в отливках могут образоваться усадочные рыхлоты, которые при малых припусках на механическую обработку остаются в теле отливок.
Масса прибылей в крупногабаритных отливках из сплавов типа АЛ8 обычно достигает 45—50% от массы отливок, а высота прибылей составляет 1/3 высоты формы.
Сплавы системы Al—Mg, как известно, являются высокопрочными. Однако получение из них фасонных отливок с высокими прочностными характеристиками сопряжено со значительными технологическими трудностями, зависящими главным образом от конструкции отливки. Большое значение при этом приобретает равнопрочность отливки по разным ее зонам; степень равнопрочности зон определяется, в частности, разницей в толщинах стенок отливки.
В отливках со стенками толщиной до 20 мм высокая и практически одинаковая прочность по всем сечениям может быть получена заливкой как в сырую, так и в сухую песчаные формы без применения холодильников. В отливках со стенками толщиной более 30 мм уже начинает проявляться различие в прочности отливки по разным ее зонам. В этом случае необходимо применять холодильники.
Природу снижения механических свойств сплавов систем Al—Mg и Al—Si можно проиллюстрировать данными табл. 80. Анализ этих данных показывает, что критическое газосодержание, т. е. допустимое содержание водорода, не вызывающее образования пористости в отливках различных толщин, для сплавов системы Al—Mg значительно больше, поэтому причиной снижения механических свойств этих сплавов будут главным образом дефекты усадочного происхождения.
Литье сплавов систем Al-Mg и Al-Zn-Mg в песчаные формы

Холодильникам необходимо уделять большое внимание, так как плохая подготовка холодильников может привести к образованию дефектов (рис. 73). Перед заливкой холодильники следует тщательно прокаливать пламенем газовой горелки до полного удаления влаги; проставлять их на бобышках, приливах и других металлоемких местах отливок, где возможно замедленное затвердевание. Зазоры между холодильниками не должны превышать 8—10 мм; при больших зазорах в отливке в местах между холодильниками могут возникать горячие трещины. Обрабатывать холодильники песком лучше всего на масляном крепителе.
Положительная роль холодильников при литье в песчаные формы заключается в обеспечении направленной кристаллизации отливки. При этом скорость кристаллизации обусловлена достаточной величиной температурного градиента на границе формирующаяся стенка отливки — холодильник, который может превышать температурный градиент при литье в кокиль (формирующаяся стенка отливки — нагретая стенка кокиля).
Литье сплавов систем Al-Mg и Al-Zn-Mg в песчаные формы

С применением холодильников можно получать отливки с высокими механическими свойствами, равными или даже превосходящими механические свойства отливок, полученных литьем в кокиль.
Наиболее эффективным методом устранения усадочных раковин при литье в песчаные формы является сочетание холодильников с прибылями. Целесообразны как в песчаной, так и в металлической формах специальные «верхние литники» для заполнения прибылей на конечной стадии процесса заливки. С применением таких литников уменьшается разогрев отдельных частей формы ввиду уменьшения количества проходящего через них металла и улучшается работа прибылей, которые в этом случае заполняются более горячим сплавом (рис. 74).
Положительное влияние на качество литых деталей давления, приложенного на различных стадиях технологического процесса (плавка, литье, кристаллизация), давно используется в промышленности. Выдержка сплава под давлением способствует изменению его физического состояния, что в конечном итоге приводит к повышению точности и механических свойств литых деталей. Положительные результаты опытов позволили предложить способ создания избыточного газового давления на металл на всех трех основных стадиях литейного цикла: приготовление расплава, заполнение формы и кристаллизация.
Литье сплавов систем Al-Mg и Al-Zn-Mg в песчаные формы

В табл. 81 приведена зависимость механических свойств сплавов системы Al—Mg от условий кристаллизации. Как следует из приведенных данных, механические свойства возрастают при всех температурах заливаемого в форму сплава, особенно при давлении 50 ат. Поэтому некоторый перегрев сплава, необходимый при литье по этому способу, не оказывает отрицательного влияния на структуру и свойства отливок. Вместо рассеянной пористости в отливках из алюминиевокремниевых сплавов образуется концентрированная усадочная раковина, а в сплавах системы Al—Mg вместо концентрированной усадочной раковины образуется зона усадочной рыхлоты в прибыльной или верхней части отливки. Высокое давление при кристаллизации дает возможность увеличить герметичность отливок даже из сплавов с широким интервалом кристаллизации — типа АЛ27-1.