» » Механизм уплотнения металла при кристаллизации под поршневым давлением
23.04.2015

Пороки отливок в виде газовых и усадочных раковин образуются в процессе перехода металла из жидкого состояния в твердое. Одним из наиболее эффективных способов устранения указанных пороков является создание давления на металл в процессе его кристаллизации при затвердевании отливок.
Строение первичной кристаллизации (т. е. кристаллизация из жидкого расплава) оказывает большое влияние на все свойства литых заготовок. Применение давления в процессе первичной кристаллизации весьма эффективно влияет на структуру металла и на улучшение его свойств благодаря увеличению центров кристаллизации, уменьшению микропор и лучшей растворимости компонентов.
Процесс кристаллизации связан с уменьшением объема. Так как кристаллизация последних порций затвердевающего металла протекает в условиях недостаточного питания для компенсации этого уменьшения объема, то это приводит к образованию усадочных раковин.
Даже в условиях хорошего питания, когда отливка не содержит видимых глазом усадочных раковин, в ней обычно имеются микроскопические поры, располагающиеся на границе первичных кристаллов. Эти поры образуются вследствие сокращения объема и металл часто не может заполнить их из-за того, что они малы или наполнены газом, выделяющимся из жидкого металла.
He менее затруднительно устранение газовых раковин.
Еще Д. К. Чернов в 1878 г. указал: «если бы отливку можно было производить под таким большим давлением, которое в состоянии удержать газы в растворе, то не было бы пузырей в отливках».
Общее давление выделяющихся газов ∑ргаз равно сумме парциальных давлений газов. Если ∑ргаз>∑вн.давл, где ∑вн.давл — противодействующее внешнее давление, то газовые пузыри в металле зарождаются и стремятся всплыть. Если ∑ргаз<∑вн.давл, то пузыри не появляются (газ остается в растворе).
При рассмотрении вопроса о механизме уплотнения металла необходимо внести ясность в понятие «уплотнение».
Уплотнение с точки зрения требований, предъявляемых литейным производством, сводится к устранению основных пороков: газовых и усадочных раковин и ликвации. Процесс затвердевания должен осуществляться достаточно быстро и интенсивно, чтобы обеспечить получение мелкозернистой структуры.
Так как все упомянутые литейные пороки образуются в процессе кристаллизации металла, то давление прежде всего должно быть приложено в этот период.
Когда закончится формообразование и кристаллизация под давлением и металл будет находиться в пластическом состоянии, может начаться период уплотнения металла в широком понимании, т. е. путем деформации из пластического состояния. При этом может быть уменьшена межкристаллическая микропористость и более значительно измельчена структура.
В зависимости от назначения детали давление может быть, таким образом, использовано как для устранения литейных пороков, образующихся в процессе кристаллизации, так и для уплотнения путем пластических деформаций.
Немедленно после подачи давления на металл прекращается газовыделение. Так как кристаллизация заготовки до момента подачи давления проходит в обычных условиях с выделением газов из раствора, то давление должно быть приложено до начала кристаллизации, когда металл находится в состоянии небольшого перегрева, причем в интервале между заливкой металла в форму и моментом поступления давления газ успевает частично выйти из раствора и улетучиться. Процесс оставления газов в растворе осуществляется при небольших удельных давлениях и в практических условиях газовые раковины и пористость, как правило, не встречаются в заготовках, изготовленных методом кристаллизации под давлением.
Более значительную сложность представляет собой устранение усадочной пористости и раковин, зависящее от условий затвердевания и кристаллизации сплава.
В обычном литье (а равно и при кристаллизации под всесторонним компрессорным давлением) затвердевание должно быть построено на принципе последовательной кристаллизации, что необходимо для того, чтобы обеспечить непрерывный доступ металла к месту кристаллизации.
При кристаллизации под поршневым давлением с момента прикосновения пуансона с поверхностью жидкого металла процесс последовательной кристаллизации на первый взгляд может казаться нарушенным за счет добавочного отвода тепла через прессующий пуансон.
Охлаждение металла при этом происходит сверху, в некотором замкнутом пространстве, без пополнения извне, что в обычных условиях (без применения давления) могло бы привести к появлению раковин и межкристаллической пористости.
Положение усадочных раковин зависит от характера отвода тепла с разных поверхностей отливок; раковины всегда располагаются в тех местах, которые охлаждаются последними. В тех случаях, когда отвод тепла происходит со всех сторон, раковины находятся внутри. Например, при отливке слитков (оптимальный случай для применения процесса кристаллизации под поршневым давлением) прессующий пуансон, фактически являющийся «четвертой стороной», нарушает принцип последовательной кристаллизации.
На фиг. 173 показано охлаждающее действие пуансона на образование транскристаллизации в верхней части слитка из оловянной бронзы, залитого при высокой температуре в условиях интенсивного охлаждения в не-подогретой форме и при работе без смазки с применением небольшого удельного давления, аналогичной транскристаллизации, обычно имеющей место в нижней части слитка.
Механизм уплотнения металла при кристаллизации под поршневым давлением

Границы стыка столбчатых кристаллов, вытянутых перпендикулярно охлаждающимся поверхностям, имеют определенную геометрическую форму, одинаковую в основании и в верхней части слитка.
Несмотря на ряд отклонений от правильной технологии (температура металла, подогрев форм, смазки и т. п.), даже в данном случае благодаря своевременному приложению давления отсутствуют усадочные раковины.
Меняя условия литья и охлаждение, можно влиять на макроструктуру литой заготовки. Обеспечивая правильное питание заготовки во время ее кристаллизации, можно получить равноосную структуру с достаточной плотностью.
На фиг. 174 показана макроструктура заготовки из оловянной бронзы, полученной при соблюдении правильной технологии и достаточно высокого удельного давления (~700 кг/см2).
Механизм уплотнения металла при кристаллизации под поршневым давлением

Указанная заготовка обладает мелкозернистой равноосной структурой и высокими механическими свойствами. При правильном выборе технологических параметров наличие так называемой «четвертой стороны» (пуансона) не нарушает нормального хода кристаллизации.
Это объясняется следующими основными положениями, подтверждаемыми приводимыми опытными данными:
1. Усадка, как известно, происходит раньше окончательного затвердевания сплава.
В тот момент когда образуются усадочные полости в металле, окружающем их, имеется много жидкой фазы, что дает возможность при действии соответствующего давления без затруднения запрессовать металл в эти полости.
2. При захолаживании пуансоном металла, расположенного на вершине залитой заготовки, участок, содержащий жидкий металл, затвердевающий в последнюю очередь, перемещается вниз, располагаясь близко к головной части заготовки.
3. Чтобы давление могло быть передано на металл, находящийся на этом участке, необходимо, чтобы окружающая этот участок вся остальная масса металла окончательно не затвердела, т. е. оставалась в жидко-твердом, твердо-жидком или пластическом состоянии до окончания кристаллизации заготовки.
4. Скорость затвердевания и продолжительность нахождения металла в жидком состоянии изучались при заливке алюминиевой бронзы БрАЖ9-4 в изложницы высотой 275 мм и внутренним диаметром 60 мм. Металл сливали из изложницы через различные промежутки времени после ее заполнения (табл. 45).
Металл в затвердевающем слое (оставшемся около стенок) находился после опрокидывания в жидко-твердом и твердо-жидком состояниях. Из таблицы видно, что при обычном литье после 20 сек. много металла остается в жидком состоянии. При кристаллизации под давлением затвердевание происходит значительно быстрее, тем не менее в те малые отрезки времени (примерно 10—15 сек.), в течение которых идет запрессовка металла в усадочные полости (при данном диаметре заготовки), имеется достаточное количество жидкого и жидко-твердого металла.
При наличии жидкого и незатвердевшего металла давление пуансона может передаваться во все стороны, что обеспечивает всестороннее сжатие и правильное прохождение процесса при своевременном приложении давления.
5. Для определения продолжительности запрессовки металла в образующиеся усадочные
полости и возможности питания под давлением малых замкнутых полостей (или усадочной рыхлости) производились опыты по отливке слитков диаметром 70 мм с различной продолжительностью зыдержки под давлением (табл. 46).
Механизм уплотнения металла при кристаллизации под поршневым давлением

Эти опыты подтвердили, что в короткий отрезок времени, который необходим для кристаллизации слитка под давлением, металл на тех участках, где он охлаждается последним (т. е. внутри отливки), остается некоторое время в жидком или незатвердевшем состоянии и может быть запрессован в усадочные полости или рыхлоты (в данном случае небольшая полоска рыхлоты).
При этом нахождение этого участка рыхлоты в окружении затвердевающего металла не останавливает запрессовку металла на те участки, где есть неплотности.
При поступлении пуансона на жидкий металл с момента начала кристаллизации и усадки происходит принудительное заполнение образующихся усадочных раковин металлом, находящимся в верхней части. Образовавшаяся на этом участке затвердевающая оболочка (сверху и у стенок изложницы), имеющая малую прочность, деформируется и, перемешиваясь с жидким металлом, идет на запрессовку усадочных раковин. Пока прослойка между жидким металлом и пуансоном тонка, а усадочная раковина неглубока, необходимо малое удельное давление для деформации прослойки и заполнения усадочной полости.
По мере понижения температуры металла в головной части заготовки необходимо все более возрастающее давление для запрессовки этого металла в усадочные полости, образующиеся в центральной части заготовки.
По мере того как толщина и прочность затвердевающего металла, образовавшегося в верхней части, постепенно увеличиваются, ее следует рассматривать как придаток, увеличивающий высоту пуансона, не нарушающий ход процесса, так как между пуансоном всегда есть жидкий металл. Этот пуансон действует на нижележащие слои жидкого металла аналогично тому, как прессующий пуансон действовал на первоначально образующуюся прослойку, но менее интенсивно; падение интенсивности запрессовки объясняется общим понижением температуры металла.
Чтобы придаток, находящийся между пуансоном и жидким металлом, не оставался неподвижным, являясь «мостом», нарушающим ход процесса и приводящим к образованию замкнутых усадочных раковин, необходимо, чтобы давление было достаточным для преодоления усилия, задерживающего окончательно не затвердевший металл около стенок изложницы и чтобы процесс шел настолько быстро, чтобы жидкий металл, находящийся под придатком, при своей усадке не оторвался бы от последнего, переставая при этом находиться под давлением.
При запоздалом поступлении давления около стенок формы образуется значительный кольцевой слой (опора «моста») затвердевшего металла, препятствующий движению пуансона с находящимся под ним придатком.
Для деформации кольцевого слоя металла, частично дошедшего до кристаллического состояния, и запрессовки его в образующиеся усадочные полости нужны значительные усилия, иногда превосходящие усилия, развиваемые прессом.
Наблюдения за поверхностью слитков, отлитых с кристаллизацией под давлением при своевременном приложении давления, показывают, что в верхней части она отполирована (на высоте около 40—60 мм) о внутренние стенки изложницы, что наблюдается только при опускании вниз всей затвердевшей головной части слитка.
Опыт применения радиоактивных изотопов (металл того же состава с изотопами, наливаемый на зеркало залитого металла) показывает, что в образующиеся усадочные полости запрессовывается металл из вершины залитого слитка. При оптимальном ходе процесса (своевременное приложение достаточно высокого давления) этот металл проникает на всю глубину усадочной раковины.
Глубина запрессовки металла соответствует глубине залегания образующихся усадочных раковин, причем металл, поступающий из вершины, перемешивается с металлом, находившимся в сердцевине.
При несжимаемости жидкого металла процесс практически может начаться только после того, как станет происходить усадка и будут образовываться усадочные полости, в которые можно направить жидкий металл. Однако нельзя допускать, чтобы прессование металла начиналось после того, как образуется достаточно прочная поверхностная корка.
При этом уровень жидкого металла вследствие усадки отойдет от верхней корки и между ними образуется замкнутая полость, заполнить которую металлом будет очень трудно. Хотя металл, находящийся в жидком состоянии, не сжимается, но давление, поступившее на него, способствует увеличению контакта между изложницей и металлом, получению более четких контуров заготовки и более высокой чистоты поверхности.
Весьма быстрый ход процесса кристаллизации под давлением является (наравне с давлением) важнейшим фактором, обусловливающим возможность запрессовки металла в усадочные полости, а также обеспечивающим получение мелкозернистой структуры металла.
Формообразование при кристаллизации под давлением по аналогии с процессами обработки давлением можно квалифицировать как осадку, т. е. течение металла в штампе в стороны, перпендикулярные направлению усилия; это сопровождается уширением металла.
Ho так как оно ограничивается стенками изложницы, то в результате этого металл тесно прижимается к стенкам без образования воздушной прослойки при усадке.
По мере заполнения усадочных пустот уровень металла понижается: слиток уменьшается по высоте, а не по диаметру. Например, для сплавов ЛМцА57-3-1 и БрАЖМц-10-3-1,5 при диаметре слитка 70—90 мм и высоте столба жидкого металла в 300 мм его высота уменьшается на 10—12 мм, т. е. близкую к размеру объемной усадки, что объясняется тем, что давление препятствует сжатию отливки в горизонтальном направлении.
Быстрое затвердевание осуществляется не только за счет интенсивного переохлаждения в контакте с теплопроводной формой (которое у некоторых сплавов приводит к транскристаллизации и получению столбчатой структуры), но также путем захолаживания сердцевины отливки (где металл обычно затвердевает в последнюю очередь), запрессовкой загустевающего металла головной части.
Таким образом, быстрое затвердевание может осуществляться также при достаточно высокой температуре формы благодаря механическому перемешиванию охлажденного металла с наиболее горячим металлом в сердцевине.
Это дает возможность избегнуть больших термических напряжений и получать сплавы с высокой пластичностью для обработки давлением.
Перемещение, соприкосновение и надавливание частиц друг на друга при кристаллизации (осадка) также являются факторами, обеспечивающими получение мелкораздробленной структуры.
Таким образом, роль внешнего давления на затвердевающий металл заключается также в том, что оно механически затрудняет продвижение границ кристаллизации. Сочетание скорости затвердевания и механического уплотнения дает возможность получить заготовки с измельченной структурой и более высокой плотностью.
В табл. 47 приводится плотность металла в заготовках, полученных различным способом.
Механизм уплотнения металла при кристаллизации под поршневым давлением

Из таблицы видно, что слитки, отлитые с кристаллизацией под поршневым давлением, имеют плотность, более высокую, чем литые в металлическую форму, и почти равную кованым заготовкам. Наличие повышенной плотности (в заготовках литых с кристаллизацией под давлением) в верхних и нижних точках указывает, что происходит не только устранение усадочных раковин, но и межкристаллическое уплотнение металла.
При более высоких удельных давлениях (по сравнению с приведенными в табл. 46), применяемых в производственных условиях, плотность сплавов несколько выше и структура более измельченная, чем у кованых заготовок (фиг. 175, а и б).
Эффективность процесса кристаллизации под поршневым давлением зависит от физических свойств сплавов. Наибольшая эффективность проявляется при работе со сплавами, имеющими большой интервал кристаллизации.
Чем больше интервал кристаллизации, тем более изолированных участков, кристаллизирующихся в собственном объеме, т. е. тем более межкристаллическая пористость. У таких сплавов нет концентрированной усадочной раковины, а усадочная неплотность рассредоточена по всему объему и задача сводится не к заполнению усадочных раковин, а к общему уплотнению слитка.
Благодаря большому интервалу затвердевания наружные слои различных частей отливки, состоящие из дендритов, образуются при температуре примерно на 150° выше точки окончательного затвердевания; заполнение промежутков получается только в местах ускоренного охлаждения, т. е. по периферии отливки, в центральной же зоне между дендритами и внутри дендритов между отдельными осями остаются незаполненные поры.
При переходе из жидкого состояния в твердое такие сплавы характеризуются усадочной рыхлостью вместо усадочных раковин.
Механизм уплотнения металла при кристаллизации под поршневым давлением

В обычных условиях борьба с рыхлостью затруднена, ибо густая масса дендритов оказывает сопротивление продвижению жидкого металла.
Выделяющиеся из раствора газы также создают препятствие к заполнению металлом рыхлых мест.
При кристаллизации под поршневым давлением запрессовка междендритной пористости идет без затруднений, благодаря тому что жидкая составляющая не поступает из головной части отливки, а находится в ее сердцевине между дендритами. Питание при этом осуществляется при прессовании за счет уменьшения наружных размеров. При этом сплав приобретает повышенные механические свойства.
Если каркас образован при малом удельном давлении (когда междендритная пористость велика) или при достаточно высоком давлении, приложенном на металл с некоторым запозданием, когда каркас частично образовался в свободном состоянии, то жидкость, обогащенная легкоплавкой составляющей, настолько легко проходит между дендритами, что наблюдается обогащение этой составляющей (например, оловом в высокооловянной бронзе ОФ10-1) участков, расположенных ближе к периферии.
Это явление устраняется при своевременном приложении достаточно высокого давления, при котором образуется каркас, имеющий меньшую междендритную пористость.
В сплавах, кристаллизирующихся в узком интервале температур, почти все объемные изменения выражаются в образовании концентрированных усадочных раковин в местах окончания кристаллизации.
В медных сплавах с узким интервалом кристаллизации (марганцевые латуни и алюминиевые бронзы) происходит быстрое образование наружной кристаллической корки, ухудшающей условия запрессовки металла. Однако этот недостаток компенсируется двумя другими положительными особенностями:
а) При расположении раковины в верхней части в нижние слои поступает металл, более охлажденный благодаря его перемешиванию с деформированным металлом из головной части слитка. Поэтому образование концентрированной раковины происходит менее интенсивно (с менее глубоким проникновением в глубину слитка), чем при обычном литье.
б) Способностью сплава самоуплотняться благодаря большой усадке. Последнее дает возможность использовать все давление только для запрессовки усадочной раковины, а не всего объема слитка, обладающего природной плотностью и не нуждающегося (с точки зрения требований литейного производства) в добавочном уплотнении. У сплавов этого типа при кристаллизации под умеренным давлением (порядка до 500 кг/см2) не замечается значительного повышения механических свойств по сравнению с обычным литьем, а происходит лишь их выравнивание в нижней и верхней частях слитка благодаря созданию одинаковых условий кристаллизации в той и другой частях. При более высоком удельном давлении механические свойства в верхней части слитка увеличиваются.
В эвтектических сплавах (силумин, чугун) с малой усадкой, не отличающихся природной плотностью, давление в процессе кристаллизации, своевременно поступившее на металл, в сочетании с большой скоростью затвердевания оказывает значительное влияние на структуру (получение тонкой эвтектики) и механические свойства.
Опыты с вторичным алюминиевым сплавом типа силумин, содержащим 9% Si, 1,2% Cu и 0,8% Fe, залитым в изложницу без модифицирования, показали, что давление порядка 800 кг/см2, приложенное на короткий период, оказывает на сплав действие, равносильное модифицированию, что выражается в измельчении структуры и улучшении механических свойств.
В отливке, затвердевшей при атмосферном давлении, дендриты, мелкие в нижней части и с края, переходят в более крупные в сердцевине с главной осью, достигающей 5—6 мм в длину (фиг. 171, 2). При кристаллизации под давлением дендриты, едва заметные с края, незначительно увеличиваются в сердцевине, достигая размеров по главной оси 1—2 мм в длину (фиг. 171, 1).
Одновременно увеличивается предел прочности (на 30—40%) и удлинение (на 30—60%).
У чугуна, залитого в песчаную форму, давление в значительной степени влияет на условия графитизации, превращая обычный ваграночный чугун в плотный, мелкозернистый с измельченным графитом и с повышенными механическими свойствами (предел прочности выше на 40—50%).
При применении высоких удельных давлений (свыше 1500 кг/см2) уплотнение не заканчивается после запрессовки жидкого или полужидкого металла в усадочные пустоты. Металл продолжает течь, будучи уже в пластическом состоянии, и окончательное уплотнение осуществляется при пластических деформациях. При этом не только устраняются дефекты усадочного происхождения, но и в значительной степени уменьшается межкристаллическая микропористость, это неизменно сопровождается повышением механических свойств сплавов.
Опыты автора по литью сурьмяно-никелевой бронзы БрСуН-7-2 с кристаллизацией под удельным давлением свыше 7000 кг/см-показали, что предел прочности увеличился на 50%, а относительное удлинение в 4 раза.
Опыты, описанные в книге И.Е. Горшкова, показали, что при литье из алюминиевого сплава, содержащего около 13% Si, давление в 12 000 кг/см2 повышает температуру эвтектической линии, увеличивает растворимость компонентов сплава при эвтектической температуре (до 3% Si вместо 1,5%) и значительно изменяет состав эвтектического сплава (15—17,5% Si вместо 13%).
Эвтектика имеет мелкоизмельченную структуру и напоминает модифицированный силумин. Возможность получения мелкозернистой эвтектики без помощи модификаторов (натрия и др.) позволяет увеличить коррозионную устойчивость силумина, поскольку при модификации очагом коррозии являются включения едкого натра (NaOH) продукта соединения остатков натрия с влагой в модифицированном силумине.
Процесс кристаллизации под большим давлением указывает пути для получения новых высокостойких и прочных сплавов. Об этом свидетельствует достигаемая при помощи большого давления растворимость различных компонентов в соотношениях, не имеющих места в обычных условиях, а также старение сплавов, благодаря которому они могут приобретать весьма высокие механические свойства.