» » Давление при кристаллизации в процессе литья слитков
04.02.2017

В большинстве случаев практики слитки отливаются при нормальном (атмосферном) давлении. Литье слитков под повышенным давлением не применяется. Более часто пользуются кристаллизацией под давлением. В этом случае заливка изложницы производится при обычном давлении, а после создается повышенное давление. Оно осуществляется различными способами:
1) путем помещения изложницы в автоклав, применяемый обычно при фасонном литье, и подачи в него воздуха от компрессора под давлением 5—7 атм;
2) путем устройства над прибыльной частью изложницы герметически закрывающейся крышки, под которую подается воздух от компрессора;
3) путем введения в прибыльную часть слитка прокаленных пористых стерженьков, сделанных из огнеупорного материала или формовочной смеси, с целью обеспечения доступа наружной атмосферы к поверхности расплавленного металла в усадочной раковине, так как иначе под поверхностной коркой затвердевшего металла создается некоторый вакуум;
4) путем введения в прибыльную часть слитка патрончиков с газотворной смесью, которые выделяют газ или парообразное вещество только после того, как с поверхности образуется достаточно прочная корка затвердевшего металла; при этом под поверхностной коркой создается повышенное давление;
5) путем создания поршневого давления на поверхность кристаллизующегося металла.
Обычно создаваемое таким путем давление не превышает 50—100 атм.
В отдельных исследованиях создавалось давление при кристаллизации некоторых сплавов, достигающее 15 000—20 000 атм. При таких давлениях меняются физико-химические свойства сплавов: смещаются температуры кристаллизации и критических точек, изменяются границы фазовых областей диаграмм состояний.
Как уже было указано, по мере повышения давления при кристаллизации увеличивается наружная усадка и уменьшается сначала рассеянная усадочная пористость, а затем и концентрированная усадочная раковина. К этому еще можно только добавить, что, как впервые указал Д.К. Чернов, при повышении давления газ может остаться в растворе, а не выделиться в виде пузырей. Если же в слитке окажутся пузыри газа, мало растворимого в металле, то под влиянием давления они уменьшатся в объеме в соответствии с физическим свойством, выражаемым законом Бойля-Мариотта
Давление при кристаллизации в процессе литья слитков

При кристаллизации слитков, когда большая часть металла перейдет в твердое состояние, или, по крайней мере, по наружным поверхностям образуется твердая корка, внутри будут оставаться еще участки, в которых металл будет находиться в расплавленном состоянии. При затвердевании оставшихся частей сплава вследствие уменьшения объема не хватит вещества для заполнения всего пространства. Поэтому кристаллизация оставшегося сплава идет при пониженном давлении, ввиду образования вакуума, разумеется, в случае, если металл не содержал газа в растворе или во взвешенном состоянии. Кристаллизация при пониженном давлении отличается от затвердевания при нормальном или повышенном давлении. Сплав, кристаллизующийся в вакууме, должен обладать пониженной плотностью. Параметры пространственной решетки такого сплава должны быть несколько больше, чем у металла, кристаллизовавшегося при повышенном давлении. По этой причине, как известно, при кристаллизации даже чистых металлов наблюдается образование дендритной неоднородности, которая является неоднородностью по плотности и легки проявляется травлением соответствующим реактивом и в особенности путем электрополировки.
Расплавленный сплав при понижении давления более или менее быстро отдает растворенный в нем газ, т. е. оказывается более высокого качества. Вакуум во время кристаллизации, наоборот, способствует понижению плотности сплава. При затвердевании в вакууме происходит выделение остатков растворенного в сплаве газа, образующего в слитках пузыри, которые не выходят в атмосферу, а остаются в виде полостей, способствуя понижению плотности и увеличенной пузыристости слитка. На этом, как указано, основан один из методов сопоставления газированности алюминия и его сплавов. Таким образом, при кристаллизации в вакууме слиток получается пониженной плотности как вследствие выделения газа из раствора, так и вследствие расширения пузырей в вакууме и, наконец, по причине увеличения параметров пространственной решетки.
Как было указано в первом издании книги и как в дальнейшем подтверждено работами акад. А.А. Бочвара с сотрудниками, наилучшим приемом использования вакуума следует считать применение его для расплавленных металлов и сплавов с последующим восстановлением давления или даже сообщением повышенного давления при кристаллизации.
При отливке фасонных деталей применяется литье под давлением. При этом иногда весь расплавленный металл подвергается давлению, а в других случаях — только та его часть, которая в данный момент предназначена для отливки. В одних случаях давление на металл производится с помощью поршня, в других — оно передается металлу через посредство атмосферы. В последнем случае стараются уменьшить соприкосновение металла с атмосферой, так как при увеличении давления процессы между металлом и атмосферой идут более интенсивно.
В отливках, изготовленных методом литья под давлением, обычно обнаруживаются газовые раковины или плены, которые образуются вследствие увлечения воздуха струей, втекающей в форму с большой скоростью. Этот дефект предотвращается только в том случае, если в форме до заливки металла создается вакуум, а заполнение формы и кристаллизация происходят под повышенным давлением.
Если при кристаллизации применяется достаточное давление, то металл уплотняется. Если при отливке под нормальным давлением в литом металле присутствуют усадочные поры, а иногда и значительных размеров раковины, то в случае кристаллизации под достаточным давлением большая часть усадочных пор запрессовывается и заполняется металлом. В этом случае металл продолжает течь, будучи уже в твердом состоянии. Литье при этом как бы соединяется с механической (пластической) обработкой.
При кристаллизации в автоклаве под давлением 5—7 атмосфер сплавы, склонные к образованию рассеянной пористости, т. е. сплавы с большим интервалом кристаллизации, начинают давать концентрированную усадочную раковину. Это происходит вследствие уплотнения, а потому и повышения теплопроводности образующихся настылей у поверхности соприкосновения слитка с изложницей. Таким образом, кристаллизация под компрессорным давлением, помимо механического уплотнения, ускоряет затвердевание и тем способствует получению более концентрированной усадочной раковины.
Тот же эффект, но в еще большей степени, будет наблюдаться при кристаллизации слитков в изложницах, к прибыльной части которых подведен компрессорный воздух под давлением 5—7 ат. В этом случае наблюдается менее глубокая усадочная раковина, концентрирующаяся в верхней части слитка, в его прибыльной части (рис. 246).
Давление при кристаллизации в процессе литья слитков

Кристаллизация под атмосферным давлением путем введения в прибыльную часть пористых стержней для возможности перенесения давления с поверхностной корки внутрь на поверхность расплавленного металла чаще применяется при фасонном литье. Использование этого приема при отливке слитков вызывает повышенный отход вследствие необходимости отрезки верхней части (прибыльной) слитка, которая в этом случае оказывается довольно значительной, так как давление в одну атмосферу не очень значительно уплотняет слиток.
Аналогично предыдущему, но с большим эффектом может быть применено газовое давление в прибыльной части слитка. В этом, случае необходима закрытая прибыль, чтобы патрон с газотворной смесью ила веществом мог быть помещен в прибыльную часть слитка на стержне (рис. 247). Патрон представляет собой пористый сосуд, в котором помещено вещество, при нагревании выделяющее газ или создающее значительное давление вследствие кипения или возгонки. Толщина и теплопроводность пористого сосуда подбирается таким образом, чтобы внутреннее содержимое начало разлагаться с образованием газа или кипеть только после того, как с поверхности слитка образовалась достаточной прочности затвердевшая корка сплава. При отливке этим методом сплавов, обладающих большим интервалом кристаллизации, прибыльную часть слитка приходится помещать в специально устроенный стальной колпак, прочно прикрепляемый к изложнице, чтобы иметь возможность увеличить прочность твердой оболочки, которая у этих сплавов оказывается недостаточной. Количество газотворного или легко кипящего вещества определяется в зависимости от температуры сплава, от объема усадочной раковины, от давления в прибыли, которое желают получить.
В качестве пористых сосудов для помещения газотворного вещества применяют пористые шамотовые цилиндрики.
Давление при кристаллизации в процессе литья слитков

Роль газотворного вещества могут выполнять известняк, мел и другие углекислые соли, а также и другие соли, диссоциирующие при температурах плавления сплава с выделением газообразной фазы.
В качестве веществ, переходящих в парообразное состояние при требуемых температурах, применяются хлористые соли, которые подбираются по их температуре кипения в соответствии с требуемой температурой, соответствующей температуре плавления сплава, например хлористый алюминий, хлористый цинк, хлорное железо и др.
При подборе газообразующих веществ и веществ, кипящих при низких температурах, следует предпочесть такие, которые сами, а также продукты их разложения, не оказывают вредного влияния на сплав.
Этот метод создания давления при кристаллизации мало пригоден для слитков цветных сплавов, так как он требует закрытых прибылой, у которых по верхним и боковым поверхностям должны быть достаточно прочные затвердевшие корки. Отходы при этом способе кристаллизации под давлением больше, чем при других способах.
При кристаллизации под давлением, которое создается с помощью поршня, ускоряется кристаллизация вследствие более тесного соприкосновения металла слитка с поверхностью изложницы. Считается, что давление для получения вполне плотного слитка увеличивается при уменьшении диаметра слитка (в случае цилиндрического слитка) (рис. 248). Во время кристаллизации под давлением поршня образующаяся усадочная раковина заполняется металлом вследствие деформации затвердевшей оболочки кристаллизующегося слитка. Пока эта настыль тонка, требуется малое давление для ее деформации, по мере возрастания толщины и понижения ее температуры, требуется все более и более высокое давление для запрессовывания усадочных пор в центральной части слитка.
Плотные слитки могут быть получены путем Применения теплых насадок при кристаллизации под поршневым давлением. Для этой цели на поверхность залитого в изложницу металла помещается мало теплопроводная насадка в виде газопроницаемой опрокинутой вверх дном чаши (рис. 249).
Давление при кристаллизации в процессе литья слитков
Давление при кристаллизации в процессе литья слитков

При перемещении поршня вниз насадка вдавливается в верхнюю часть залитого в изложницу металла, воздух из насадки выходит через поры или специальные отверстия в дне и полость насадки заполняется металлом. Объем полости насадки должен быть несколько больше полной объемной усадки металла слитка.
При кристаллизации слитка в нижней части металл в насадке будет долгое время оставаться жидким. Под влиянием давления насадка будет деформироваться и жидкий металл загоняться внутрь для питания слитка. При применении такого способа плотные слитки могут быть получены при сравнительно невысоком давлении, что особенно важно в тех случаях, когда отсутствуют достаточно мощные прессы для кристаллизации под поршневым давлением без применения теплых насадок.
Путем применения большого давления плотные слитки могут быть получены и без применения теплых насадок, но давление в этом случае должно обеспечить интенсивную пластическую деформацию закристаллизовавшейся части слитка. Это давление должно быть того же порядка, которое необходимо для пластической деформации твердого нагретого слитка.
В случае применения слитков, закристаллизованных под давлением, для последующей пластической обработки, полуфабрикат может оказаться в дальнейшем недоброкачественным. В том случае, если сплав, из которого отливался слиток, имел в растворе или во взвешенном состоянии газ, после отжига полуфабриката он может образовать пузыри. Если при свободной кристаллизации слитка с открытой прибылью газ во время его затвердевания еще может выйти, то в случае кристаллизации под давлением и в особенности под поршневым давлением он весь останется в слитке, преимущественно в виде твердого раствора.
В тех случаях, когда слитки применяются в литом состоянии, а также в тех случаях, когда сплав, идущий для отливки слитков, не содержит в растворе или в виде включений газа, этот способ дает возможность получить доброкачественные изделия.
В рассмотренных случаях применяемое давление не превышает 600 ат. В производственной практике большие давления применяются редко.
Известны опыты, в которых давление при кристаллизации доводилось до 15 000—20 000 ат.
При кристаллизации силумина под давлением 12 000—13 000 ат были записаны кривые охлаждения и построена диаграмма состояний.
В рассматриваемом случае диаграмма состояний сохранила эвтектический вид, но количественные величины заметно отличаются от значений, полученных при кристаллизации под атмосферным давлением (рис. 250).
Давление при кристаллизации в процессе литья слитков

Эвтектическая температура повышается в случае кристаллизации под указанным давлением до 612° вместо 574°, для кристаллизации при нормальном давлении предел растворимости кремния при эвтектической температуре также возрастает с 1,65% при нормальном давлении во время кристаллизации до 3% при отмеченном высоком давлении. С понижением температуры растворимость кремния понижается и в дальнейшем при понижении температуры растворимость приближается к растворимости при нормальном давлении.
Эвтектический сплав при кристаллизации под высоким давлением имеет состав 17,5% (15%) Si, остальное алюминий, вместо 11,8% для немодифицированного силумина при обычных условиях кристаллизации. Эвтектика сплавов, затвердевших при высоких давлениях, оказывается мелко раздробленной, напоминающей модифицированные сплавы. Слитки получаются вполне плотными, без пористости. При кристаллизации под высоким давлением большое количество кремния может быть фиксировано путем закалки в твердом растворе. Такой сплав при нормальной температуре является сплавом, пересыщенным кремнием, т. е. сплавом в неустойчивом состоянии. Такие сплавы могут обнаруживать повышение механических свойств под влиянием выделения дисперсных частичек кремния из раствора. Иначе говоря, от таких сплавов можно ожидать искусственного или естественного старения и под влиянием этого — повышения прочности. Получение мелкораздробленной эвтектики без помощи введения в сплав натрия обещает повышенную коррозионную устойчивость при сохранении высокой прочности.
При применении кристаллизации под большими давлениями можно получить твердые растворы таких компонентов, которые при обычных условиях их не образуют. Этот путь тоже обещает получение новых сплавов, повышающих свойства под влиянием искусственного или естественного старения и, возможно, с более высокими характеристиками прочности, чем те, которые получаются при обычных условиях затвердевания.
В настоящее время пользуются повышением давления при кристаллизации сплавов преимущественно с целью уменьшения или устранения усадочных пор в слитках. Осуществляется это путем создания давления воздуха или другого газа, давления пара некоторых веществ, поршневого давления, а также путем применения центробежных, вибрационных, сотрясательных и других установок.