» » Течение металла в полости формы с образованием первоначального слоя
23.04.2015

Струя металла, пройдя через литниковые каналы и попадая в более значительные объемные полости, замедляет свою скорость, расширяется и касается рабочей поверхности формы, обтекая ее контуры. До того как струя коснется поверхности формы, скорость ее (уменьшающаяся по мере расширения струи) будет одинакова по всему поперечному сечению; при соприкосновении со стенками формы охлаждение металла вызывает резкое увеличение его вязкости, в результате чего тот слой струи, который первым коснется поверхности, быстро затвердеет, образуя первоначальный слой и скорость его будет равна нулю.
Расстояние, которое струя пройдет таким образом, зависит в основном от конфигурации отливки и ее обтекаемости, а также от температуры формы и металла. При оптимальных условиях вся рабочая поверхность формы может быть покрыта этим первоначальным слоем.
Течение металла по стенкам формы с образованием первоначального слоя можно проследить по скелетам неполного заполнения (малой порцией металла), по которым ясно видно, что сначала образуется тонкий каркас отливки, а затем непрерывно идет заполнение струями металла пространства, образуемого отложившимся на стенках слоем. Изолируясь от стенок первоначальным слоем, этот металл, оставаясь жидким во время движения, имеет различную степень вязкости по мере удаления от первоначального слоя к сердцевине. В результате этого скорость движения жидкого металла в связи с увеличением вязкости уменьшается в поперечном направлении по мере приближения к поверхности формы.
При образующемся таким образом вязком сдвиге развиваются усилия, заставляющие двигающуюся струю прилегать к первоначальному слою, а последнее упорядочивает движение металла, уменьшает степень турбулентности и способствует тому, что металл течет ламинарным движением, обтекая контуры формы и не отрываясь от них даже при сложной конфигурации. При переходах в большие объемные полости или при резких поворотах металл благодаря инерции может оторваться от стенок, что и приводит, к преобразованию движения в турбулентное. Образующиеся при этом завихрения приводят к захвату воздуха, а также ухудшают чистоту поверхности вследствие затвердевания металла не в условиях его сплошности, а из распыленных частиц при их соприкосновении со стенками формы.
Контакт между стенками рабочей полости и образующимся первоначальным слоем может быть различным в зависимости от ряда факторов.
При заливке в недостаточно нагретую форму и тонком слое залитого металла передача тепла может быть настолько интенсивной, что первоначальный слой металла, быстро затвердевая до кристаллического состояния, будет ускорять охлаждение следующих слоев и вызывать общее снижение скорости движения впускаемой струи металла.
При образующихся при этом торможениях в сочетании с усадочными напряжениями, возникающими в быстро затвердевающем слое, появляются мельчайшие трещины, получающиеся в результате увеличения в отдельных местах трения между первоначальным застывшим слоем и струей впускаемого металла. В ряде случаев вследствие этого на отдельных участках нарушается сплошность первоначально застывшего слоя. Откалываемые кусочки захватываются струей металла и переносятся на другие участки, образуя дефекты поверхности.
Вновь поступающий металл, завихряясь, заполняет обнаженные участки полости формы и, соприкасаясь с охлажденной поверхностью, затвердевает, образуя неровности и даже нарушая иногда сплошность поверхности отливки.
Этот дефект происходит вследствие течения металла по холодным стенкам формы, поэтому в практике его называют «морозом».
При более толстом слое металла, залитого с большой скоростью при достаточно высокой температуре в хорошо нагретую форму, отслаивание первоначального слоя от стенки возможно при наличии в форме небольших, но значительно выступающих участков, разогреваемых более значительно.
При этом отслоившиеся участки, поглощая тепло входящей струи, разогреваются, доходят до полупластического состояния и уносятся вместе с поступающим металлом. На участки поверхности отливки, где имело место отслаивание, поступает жидкий металл, закрывая выход воздуху, отчего в этих местах образуются подкорковые воздушные раковины.
В практических условиях отслаивание образовавшегося первоначального слоя от поверхности встречается сравнительно редко и в большинстве случаев является следствием неправильного выбора технологических параметров.
Случаи, когда металл перестает обтекать контуры рабочей полости, а следовательно, не образует на отдельных участках наружного слоя, — явление, часто встречающееся в литье под давлением.
Следует считать, что основной дефект процесса — воздушные включения, а также местные пороки поверхности — в значительной степени являются следствием отрыва металла от стенок формы и образования при этом завихрений, захватывающих воздух и ухудшающих чистоту поверхности.
Анализируя течение металла по различным каналам элементов литниковой системы и по рабочей полости формы, можно проследить, как течение по стенкам с образованием первоначального слоя влияет на правильный ход процесса и на качество отливок.
При выходе из камеры сжатия металл сначала течет по каналу, предназначенному для ходового литника, который можно уподобить конической (расходящейся) насадке. Струя металла при входе в насадок испытывает значительное сжатие, затем быстро расширяется и заполняет ее сечение. При угле конусности больше 8° насадок перестает работать полным сечением. Если металл при этом не переходит из резко заниженных сечений к завышенным, то в ходовом литнике, несмотря на его толщину, редко имеются воздушные включения и нет дефектов поверхности. Все это достигается благодаря тому, что металл течет по стенкам. Если металл при этом (например, при переходе от малого сечения в большое) оторвется от стенок, то он, завихряясь, ударится о плоскость разъема формы.
Чтобы уменьшить степень завихрений или вовсе их устранить на участке, прилегающем к ходовому литнику, необходимо: а) избегать резких переходов от малых сечений к большим; для этого не должно быть большой разницы между внутренним диаметром литниковой втулки камеры прессования и диаметром ходового литника; б) применять достаточно высокие рассекатели, которые способствуют ламинарному течению металла, благодаря образованию не только наружного, но и внутреннего «первоначального слоя»; в) дать достаточно большой радиус для обеспечения плавного перехода металла из ходового литника к питателям. Устранив, таким образом, резкие повороты струи металла и смягчив переход его из малых объемных полостей в большие, можно избегнуть отрыва его от стенок и происходящих при этом завихрений. На практике завихрения в питателях наблюдаются очень редко, ибо при существующей тенденции к постепенному уменьшению поперечного сечения питателей по мере приближения к впускному литнику металл переходит из больших объемных полостей в менее объемные.
Наиболее велика опасность образования завихрений при переходе металла из питателей (и впускного литника) в рабочую полость формы. В основном завихрения зависят от конфигурации детали, но предупреждение завихрения в значительной степени зависит от литниковой системы.
Как правило, чем меньше перепад между поперечным сечением впускного литника и полости формы на участке, прилегающем к литнику, тем лучше металл течет по стенкам. Удобство впуска металла с наиболее узкой стороны заключается в том, что, продолжая течь по рабочей полости формы, металл будет касаться ее стенок даже при повороте, если он не будет очень резким и если при этом металл не попадет в большие объемные полости.
Чем меньше линейная скорость движения металла, тем меньше развивается при этом инерция, способствующая отрыву от стенок при поворотах.
Чтобы уменьшить линейную скорость, необходимо увеличить сечение впускного литника. При этом одновременно создаются условия для устранения торможений, а также для сохранения металла более длительное время в жидком состоянии, что дает возможность передать конечное статическое давление в период кристаллизации.
При впуске металла с одной, наиболее узкой стороны легче устранить перепад между сечением впускного литника и рабочей полости.
Течение металла в полости формы с образованием первоначального слоя

На фиг. 17 показана отливка разрывных образцов при различной литниковой системе. Когда ширина впускного литника приближается к ширине детали (см. фиг. 17, поз. 1) и нет условий для образования завихрений, механические свойства образца значительно выше, чем и случае (поз. 2 и 3), когда металл, попав из литника в полости большого поперечного сечения, завихряется и захватывает воздух. Полученные показатели механических характеристик приводятся в табл. 5.
Течение металла в полости формы с образованием первоначального слоя

Типовым примером перехода металла в большие объемные полости может служить отливка деталей прямоугольного поперечного и продольного сечения типа пластин, где металлу при применении впускных литников малого сечения легче всего оторваться от стенок.