Файл: Uch_posobie_red_2014_proekt_tekh_prots_i_mod_opochn_otl_v_pesch_-gl_formakh.docx

В результате изложенных соображений Ю. А. Нехендзи [4] доказал, что
в зависимости от характера отливки при подводе металла нужно стремиться обеспечить либо возможно более одновременное и равномерное охлаждение различных частей отливки, либо последовательное направленное затвердевание частей отливки.

3.1.1. Подвод металла в тонкостенные части отливки

Как указывает Ю. А. Нехендзи [4], одновременное и равномерное затверде­вание достигается подводом металла в более тонкостенные части отливки
и та­ким расположением питателей, которое обеспечивает симметричное
и равно­мерное заполнение формы. При этом уменьшается опасность образования внут­ренних напряжений, трещин и коробления.

Уменьшается также или вовсе исчезает концентрированная усадочная рако­вина, но часто возникают мелкие разбросанные усадочные раковины, в особен­ности у мест подвода литников. Это явление заметно у сплавов, обладающих высокой склонностью к образованию усадочных раковин, т. е. у стали и белого чугуна. В отливках из серого чугуна образование мелких усадочных раковин бывает реже, и поэтому данный метод подвода можно применять наиболее широко для серого чугуна. Для тех стальных отливок, которые по своей конфигурации более склонны к внутренним напряжениям, трещинам и короблению чем к образованию усадочных раковин, рассматриваемый способ подвода также является наилучшим. Таким образом, этот метод можно рекомендовать для чу­гунных и стальных отливок с неоднородными по толщине стенками, имеющими довольно большие линейные размеры и относительно тонкие сечения.

На рис. 3.2, а схематично показана литниковая система для чугунной отливки. Металл подводится несколькими питателями в более тонкую часть.

а

Рис. 3.2. Схема подвода металла в более тонкую часть отливки:

а – чугунной; б – стальной

Если отливка однородна по толщине и имеет значительные линейные раз­меры, то подвод металла через один или несколько питателей часто создает ме­стный разогрев и неравномерное охлаждение в отливке; рассредоточенный под­вод металла большим числом питателей малого сечения обеспечивает в этом случае условия равномерного охлаждения.

3.1.2. Подвод металла в более толстостенные части отливки

для усиления эффекта направленного затвердевания

Для отливок, имеющих сравнительно массивные стенки и потому склонных к образованию больших усадочных раковин, необходимо осуществлять направ­ленное затвердевание.

Создание направленного затвердевания отливок впервые было предложено В. Е. Грум-Гржимайло и сформулировано в следующих выражениях: «Вышеле­жащая часть (отливки) служит прибылью для нижележащей», «Прибыль должна стынуть последней».

Направленное затвердевание в настоящее время достигается соответствую-щим распо­ложением отливок и прибылей в форме, уста­новкой в форме коки-лей, внутренних холо­дильников и другими технологическими приемами. Подвод металла может при этом либо усиливать, либо ослаблять эффект на­правленного затвердевания. Если разница в скоростях охлаждения питающих и питаемых частей отливки недостаточно велика и эту разницу необходимо усилить, чтобы избежать образования усадочных раковин, а также, если при этом нет опасности образования внутрен­них напряжений и трещин, то металл жела­тельно подводить к наиболее массивным час­тям, затвердевающим последними, т. е. к прибылям (рис. 3.3).

Рис. 3.3. Схема подвода металла к стальной кольцевой oтливке
массой 1100 кг

Если же существует чрезмерно большая разница в скоростях охлаждения,
в особенности, когда отливка вследствие этого склонна к образованию внутренних напряжений и трещин, то и при методе направленного затвердевания может ока­заться желательным подвод металла в менее массивные части отливки с тем, чтобы уменьшить разницу в скоростях охлаждения.

3.1.3. Равномерный симметричный подвод в тонкостенные части
и направленное затвердевание массивных узлов отливки

Весьма часто встречаются детали, представляющие собой сочетание сравни­тельно тонкостенных частей переменного сечения и большой протяжен-ности и отдельных массивных узлов. Для отливок такого типа можно также рекомендо­вать симметричный равномерный подвод металла несколькими питателями в тонкостенные части при одновременном принятии мер к направ-ленному затвер­деванию и надлежащему питанию массивных узлов.

Последнее обеспечивается различными технологическими приемами, на­пример расположением более толстых сечений над более тонкими, устройством прибылей, установкой кокилей и внутренних холодильников, дополнительным подводом металла в более массивные части или прибыли и заливкой горячего металла непосредственно из ковша в верхние части прибылей.

3.2. Выбор уровня подвода металла

Металл можно подводить сверху, снизу, на некоторой высоте снизу (на по­ловине высоты) и на нескольких уровнях. При выборе уровней подвода металла необходимо учитывать как общие условия, от которых зависит получение каче­ственных отливок, так и особенности изготовления данной отливки.

3.2.1. Условия, обеспечивающие получение плотных отливок

Условия, обеспечивающие направленное затвердевание

Для толстостенных отливок обычно требуется направленное затвердевание (снизу вверх). Если при этом нет угрозы образования трещин вследствие боль­шой неоднородности отливки по толщине стенок, то подвод сверху, усиливая эффект направленного затвердевания, обеспечивает получение плотных отли­вок, отсутствие межкристаллитных усадочных раковин и рыхлости, уменьше-ние усадочной раковины в прибыли, уменьшение объема прибылей. Как указы-вает Ю. А. Нехендзи, в тонкостенных стальных отливках при подводе сверху «обра­зующиеся межкристаллитные усадочные раковины и рыхлость могут не полу­чить надлежащего питания из верхних зон отливки».

При подводе снизу условия питания оказываются более благоприятными,
в особенности в случае применения боковых прибылей, обыкновенных либо со сверхатмосферным давлением. Максимальная толщина стенок, до которой под­вод снизу обеспечивает получение более плотных отливок, зависит от состава
и температуры стали. Эта максимальная, «критическая», по определению
Ю. А. Нехендзи, толщина стенки для стали равна приближенно 50 мм.

Несомненно, повышенная жидкотекучесть и высокий перегрев стали созда­ют и при меньшей толщине стенок благоприятные условия для получения более плотных отливок при подводе металла сверху.

Практика показала, что чугунные отливки со сравнительно небольшой тол­щиной стенок получаются плотными, без усадочных раковин и рыхлости, с небольшими прибылями при подводе металла сверху через большое число питателей (дождевыми литниками). Такой подвод вполне оправдал себя при изготовлении отливок барабанов чесальных машин, имеющих высоту более 1 м
и толщину стенки 16–20 мм.

3.2.2. Процессы окисления поверхности металла, размывания

и разрушения поверхности формы и литниковых каналов

При подводе металла снизу (сифоном) сильное разбрызгивание, образова-ние окисленных шариков (корольков) происходит только в начале заливки; после то­го как питатели окажутся затопленными, эти явления ослабевают и постепенно прекращаются.

Подвод снизу вызывает образование на поверхности поднимающегося ме­талла корки, содержащей обычно окислы и включения. При горячем металле
и достаточной скорости подъема металла в форме эта корка или вовсе не образу­ется, или может быть вынесена в прибыль. Однако часто вверху отсутствует сплошная прибыль, имеются только местные прибыли. В таких случаях корка может оказаться прижатой к верхней плоскости формы, и в отливке могут обра­зоваться неметаллические включения и газовые пузыри.

То же самое бывает и в том случае, когда корка не выносится наверх,
а про­исходит её прорыв жидким металлом, так называемый заворот. Корка
в этом случае прижимается к поверхности формы или стержня.

При подводе сверху, как показали исследования, сильное разбрызгивание металла происходит в течение всего периода заливки. При заливке металла сверху опасность образования заплесков и окисленных шариков (корольков) увеличивается, опасность образования корки на поверхности поднимающегося металла и прижимания этой корки к поверхности формы уменьшается. Струя
металла подвергается более сильному окислению, в особенности, если металл поступает в форму сверху через несколько каналов малого сечения. Окисление поверхности струи особенно нежелательно при изготовлении отливок из стали и цветных сплавов.

При сравнительно небольшой высоте отливки опасность образования корки при подводе снизу не имеет существенного значения, если выбрать достаточную скорость заполнения формы; при подводе сверху в этом случае опасность обра­зования окисленных шариков (корольков) также меньше.

С увеличением высоты отливки растет и опасность разбрызгивания, и опас­ность образования корки, и подвод металла сверху, и подвод только снизу оказы­ваются малопригодными. Впрочем, для чугунных отливок с прямыми верти­кальными стенками, ввиду меньшей опасности окисления чугуна, подвод сверху дождевыми литниками оказывается успешным и при сравнительно большой вы­соте отливки.

Подвод сверху создает опасность размыва поверхности формы струей ме­талла, падающей с большой высоты, а также опасность разрушения выступаю­щих частей формы и стержней.

При подводе снизу (сифоном) отсутствует падение струи металла с большой высоты и уменьшается опасность размыва и разрушения формы, но возможно размывание стенок литниковых каналов. Поэтому при подводе металла снизу во всех случаях нужно принимать меры к тому, чтобы поверх-ность литниковых ка­налов не разрушалась, применяя при их изготовлении формовочные смеси высо­кого качества, а при изготовлении более крупных отливок, особенно стальных, специальные огнеупорные шамотные трубки.

Для отливок небольшой высоты подвод металла сверху и снизу в рассмат­риваемом отношении не опасен. Для отливок высоких, сложной конфигурации, при наличии выступающих частей формы подвод металла сверху опасен.

3.2.3. Подвод металла на нескольких уровнях

Для отливок, имеющих значительную высоту, подвод металла сверху, подвод снизу и на половине высоты мало пригодны. При изготовлении таких отливок из черных сплавов рекомендуется подводить металл на несколь­ких уровнях по высоте. Для успешности этого способа весьма желательно, чтобы поступление металла на различных уровнях осуществлялось не одновремен­но, а последовательно снизу вверх. Подвод металла на нескольких уровнях (сту­пенчатый подвод) имеет следующие преимущества.

1. Металл, поступающий с верхних уровней, к концу заливки ­оказывается
в верхних частях формы и имеет более высокую температуру, чем металл
в нижних частях формы; за счет этого опасность получения усадочных рако­вин и усадочной рыхлости внизу отливки значительно меньше, чем при подводе только снизу. Кроме того, при таком способе питания отливки опасность глубокого проникновения усадочной раковины сверху вниз значительно меньше
и можно обойтись прибылями меньших размеров. Этот способ обеспечивает более спокойное поступле­ние металла в форму, чем способ заливки сверху, он уменьшает возможность разбрызгивания и образования окисленных шариков (корольков).

2. Опасность образования корки меньше, чем при подводе только снизу, так как начинающие действовать на более высоких горизонтах питатели подают свежий горячий металл и тем способствуют расплавлению корки. Но опасность прижимания корки к противоположной месту подвода стенке сохраняет свою силу, поэтому при этом способе весьма нежелательно направление питателей перпендикулярно стенке формы.

3. Поступающий в форму металл не препятствует удалению газов вверх.

4. Опасность размывания и разрушения формы значительно меньше, чем
при подводе сверху.

3.2.4. Общее заключение о выборе уровня подвода металла

Подвод металла только сверху желателен при изготовлении более массив­ных, толстостенных чугунных и стальных отливок, сравнительно простых по конфигурации, имеющих относительно небольшую высоту.

Минимальная толщина стенок, допускающая подвод сверху, для стальных отливок, по данным Ю. А. Нехендзи, составляет примерно 50 мм, для чугун­ных, согласно опыту автора, около 18–20 мм. Повышенная жидкотекучесть
и высокий перегрев металла позволяют производить подвод сверху и при мень­шей толщине стенок.

Максимальная допустимая высота падения струи при подводе сверху зави­сит от состава и свойств металла, от свойств, применяемых формовочных сме­сей, от метода заливки («всырую» или «всухую»). В этом направлении нужны еще значительные исследования. Для чугунных отливок возможен подвод ме­талла сверху при большей высоте, чем для стальных.

При применении дождевых литников для чугунных отливок, как было ранее указано, допустимо падение струи с довольно значительной высоты. По опыту ав­тора [4], такой подвод металла сверху оказался успешным для отливки барабана высотой 1200 мм с толщиной стенки около 18 мм.

Подвод металла только снизу (сифоном) желателен для отливок тонкостен­ных, в особенности если они имеют сложную конфигурацию, выступающие час­ти формы и стержней. Такой подвод металла применяется при изготовлении тонкостенной стальной отливки опоры котла массой 1600 кг (преобладающая толщина стенок 18 мм). Металл из ковша с двумя стопорными отверстиями по­ступает в два стояка, из которых двумя питателями подводится снизу в полость формы.

Однако ввиду возможности образования корки на поверхности жидкого ме­талла подвод только снизу можно применять для отливок не очень большой вы­соты. Максимальная допустимая высота еще подлежит уточнению. Для сталь­ных отливок, по наблюдениям Ю. А. Нехендзи, образование корки имеет место при высоте подъема 300–400 мм. Чем выше температура и чем больше скорость подъема уровня жидкого металла, тем больше допустимая высота отливки при подводе металла только снизу.

Подвод металла на некоторой высоте снизу (на половине высоты) создает заполнение нижней части формы сверху, а верхней части снизу. Этот метод, об­легчающий изготовление формы, особенно подходит для отливок средних по толщине стенок, т. е. для отливок стальных, имеющих толщину стенок около 50 мм, и для чугунных при толщине стенок около 20 мм. Этот же способ успеш­но и широко используется и при других толщинах стенок, если отливка имеет не особенно большую высоту, а ее конфигурация и качество формы позволяют его применить. Однако для отливок большой высоты этот метод мало подходит.