Основные этапы процесса литья: 4 ключевые фазы

Четыре главных этапа литья

1. Подготовка модели и формы
2. Плавка и заливка жидкого металла
3. Охлаждение и кристаллизация
4. Дефекты и их контроль

1. Подготовка модели и формы

Модель — копия будущей детали, по которой формируется полость формы. Изготавливаются из дерева или металла. Форма — сборка из двух и более блоков (металла или связующего с песком рефрактарного материала) с основной полостью. В форме также предусматриваются вспомогательные полости для заливки, подачи металла и работы как питатели (ризери).

Четырёхстенная рама для песчаной формы называется флягом. Верхняя часть — верх (cope), нижняя — низ (drag). Для полых деталей в полость устанавливают стержень (core), а на модели делают стерженевые отпечатки (core prints) для его фиксации. Типы моделей и форм разнообразны в зависимости от материала, детали и партии.

Допуски модели

Модель всегда делают больше номинальных размеров детали. Излишек размеров — допуск модели. Выделяют две категории: усадочный и механической обработки.

Усадочный допуск

Компенсирует усадку отливки. Общая усадка происходит в три стадии:

1. Усадка жидкости от температуры заливки до температуры кристаллизации;
2. Усадка при фазовом переходе жидкое–твердое;
3. Усадка твердой отливки от температуры кристаллизации до комнатной.

Усадочный допуск учитывает только третью стадию. Он зависит от коэффициента линейного теплового расширения α_l. Для размера l допуск = α_ll(θ_f – θ₀), где θ_f — точка застывания, θ₀ — комнатная температура. Таблица 2.1 даёт ориентировочные значения для разных материалов.

Допуск механической обработки

Литая поверхность шершава, требуется механическая обработка. Излишек металла на этом — допуск механической обработки. Он зависит от материала и габаритов, но нелинейно. Для внутренних поверхностей допуски отрицательные, обычно на 1 мм больше табличных.

Уклон (шпонка)

Намеренное уклонение поверхностей, параллельных направлению извлечения модели. Облегчает снятие модели. Среднее значение 0,5°–2°.

Подготовка формы

Для мелкосерийного производства формы делают вручную, для крупных серий — на формовочных машинах. На модель наносят разделительную смесь (талк). Лицевой песок даёт хорошую поверхность. На верх фляга кладут груз, чтобы расплав не вытолкнул его. Для больших форм используют гаггеры (опоры) в верхе. При вогнутых поверхностях форму делают в три части: верх, низ и щека (cheek). В верхе предусматривают газоотводы (vent holes).

Формовочные машины работают по принципам: вибрационное утрамбовка (джолт), прессование (сквизинг), песченаброс (слэнгинг). Джолт даёт неравномерное утрамбовку, подходит для горизонтальных поверхностей. Сквизинг — для неглубоких флягов. Слэнгинг — быстро, равномерно, но дорого в оборудовании.

2. Плавка и заливка жидкого металла

Плавка

Качественная плавка — залог брака. Учитывают: газы в металле, отбор и контроль лома, флюс, печь, температуру.

Газы в металлах

Газы вызывают брак, но контролируемое их количество может улучшать свойства. Источники: механическое захлебывание (решается газоотводами), изменение растворимости при смене температуры/фазы, химические реакции. Основные газы — водород и азот.

Металлы делят на эндотермические (Al, Mg, Cu, Fe, Ni — растворимость H₂ растёт с температурой) и экзотермические (Ti, Zr — растворимость падает). Уравнение Зиверта: растворенный водород пропорционален корню из парциального давления. Источники H₂: влага печи, воздух, масло, смазки. Удаление — пробирание сухим нерастворимым газом (Cl₂, N₂, He, Ar для цветных; CO для черных, так как N₂ растворим и образует нитриды). Вакуумная плавка всё чаще применяется для предотвращения загазивания.

Печи

Выбор печи: химия металла, макс. температура, производительность, форма загрузки. Химия определяет не только состав, но и механические свойства (например, резаемость). Оптимальная температура после плавки определяется текучестью — способностью расплава заполнять форму. Чем ниже вязкость, тем выше текучесть. Проверка: заливка спирали стандартных размеров при разных температурах; длина заполненного участка до застывания — мера текучести. Чем выше текучесть, тем меньше перегрев над точкой плавления нужен. Большой перегрев = выше затраты и больше газов.

Заливка (проектирование литейной системы)

Хорошая литейная система обеспечивает заполнение с нужной скоростью, без перегрева, турбулентности, захлебывания газов и шлаков. Слишком медленно — застывание до полного заполнения (нужен перегрев, но тогда газы). Слишком быстро — эрозия формы. Нужен компромисс по оптимальной скорости.

3. Охлаждение и кристаллизация жидкого металла

Понимание механизма застывания критично для качественных отливок. При кристаллизации определяются кристаллическая структура и состав сплава в разных зонах. Риск дефектов: шринк (усадочная полость), холодной замык (cold shut), недолив (misrun), горячая трещина (hot tear).

Проектирование и размещение питателей (ризеров)

Время застывания пропорционально отношению V/A (объём / площадь теплоотдачи). Теплосодержание ~ объёму, скорость отдачи тепла ~ площади. Питатель должен застывать позже отливки. Объём жидкого металла из питателя компенсирует усадку от температуры заливки до застывания (2,5–7,5% в зависимости от металла). Большой питатель неэкономичен. Нужно минимальное объём при меньшей скорости охлаждения, чем у отливки.

Пример: стальная пластина 25×25×0,25 см имеет высокое A/V. Расчётный объём питателя 1,95 см³ — недостаточно, нужен больше.

Для заданной формы питателя размеры подбирают для мин. A/V, а мин. объём — по усадке. Металл течет из питателя только в начале застывания, поэтому реальный мин. объём ~ в 3 раза больше расчётного по усадке.

Для проверки адекватности используют кривую Кэна (Caine’s relationship). Время застывания ~ (V/A)². На диаграмме ордината — отношение объёмов, абсцисса — отношение застывания (freezing ratio). Если точка комбинации отливка-питателя правее кривой — питатель адекватен. Уравнение кривой зависит от констант застывания a, коэф. усадки b и константы среды c (1, если материал формы одинаков). Для стали типично a=0,1, b=0,03.

Для сложных форм используют модифицированный метод с форм-фактором (l+w)/h вместо A/V. Даёт похожие результаты для простых форм. При тонких придатках (appendages) прибавляют маржу к объёму питателя. При тяжёлых — считают «паразитический объём» придатков по кривым (рис. 2.33). Форма пластинчата, если ширина сечения > 3× глубины, иначе стержневата.

Для управления скоростью охлаждения используют хиллы (chill blocks) на отливке (ускорение) и экзотермические добавки в питателе (замедление).

Важный аспект — способность питателя снабжать металлом нужные зоны. Термический градиент на финальной стадии охлаждения — ключевой фактор. Для низкого A/V (куб, сфера) достаточно одного центрального питателя. Для высокого A/V (стержень, пластина) — несколько. Правила размещения:

• Стальная пластина до 100 мм: центральный питатель, если макс. дистанция питания < 4,5t от края питателя. Из них 2t — градиент питателя, 2,5t — градиент торца. Расстояние между краями соседних питателей < 4t (не 9t).
• Квадратный стержень 50–200 мм: центральный питатель до 30√s от края (s — сторона в мм). Расстояние между питателями < 1,2s.

Хиллы увеличивают дистанцию питания за счёт резкого градиента. При одном питателе хилл в конце, при нескольких — посередине. Рис. 2.35 показывает схему размещения с допустимыми дистанциями.

4. Дефекты и их контроль

Рассмотрение ограничено песчано-формовочными отливками.

Причины дефектов

Дефекты возникают из-за проблем в: (i) конструкции детали и модели, (ii) формовочном песке и проекте формы/стержня, (iii) составе металла, (iv) плавке и заливке, (v) литейной системе и питателях.

Основные дефекты песчаных форм

1. Дутьё (Blow) — крупная полость от газов, вытесняющих металл на поверхности верха. Избегают вентиляцией, проницаемостью, контролем влаги.
2. Шрам (Scar) — мелкое дутьё на плоской поверхности.
3. Пузырь (Blister) — шрам, покрытый тонким слоем металла.
4. Газовые полости (Gas holes) — сферические пузырьки от избытка растворённых газов.
5. Точечные полости (Pin holes) — микродутьё на/под поверхностью, многочисленные, равномерные.
6. Пористость (Porosity) — мелкие полости по всему объёму от снижения растворимости газов при застывании.
7. Обвал (Drop) — неравномерный налет на верхе от осыпания песка. Прочность песка и гаггеры помогают.
8. Включение (Inclusion) — неметаллическое включение в матрице.
9. Шлак (Dross) — легкие примеси на верху. Устраняют стренером и ским-бобом при заливке.
10. Грязь (Dirt) — угловатые ямки от песка на верху. Критичные поверхности лучше помещать в низ.
11. Вымыв (Wash) — налет на низу у воротка от эрозии песка высокоскоростной струёй при нижнем литье.
12. Кнур (Buckle) — В-образная впадина на плоской отливке высокотемпературного металла от расширения тонкого слоя песка перед застыванием. Летучие добавки в песке компенсируют расширение.
13. Налет (Scab) — шероховатый металлический слой на тонком песке, удерживаемый металлическим перемычкой. Возникает при отслоении набухшего песка.
14. Крысиный хвост (Rat tail) — длинная угловатая впадина в тонкой отливке, причина как у нюра, но слой скользит.
15. Проникновение (Penetration) — металл проникает между зёрнами песка, давая шероховатость. Причина: мягкий пористый песок.
16. Вздутие (Swell) — расширение полости на вертикальных стенках от гидростатического давления при высокой влажности песка.
17. Недолив (Misrun) — металл застыл до достижения дальнего угла из-за малого перегрева.
18. Холодная замык (Cold shut) — недолив в центре при двух воротках.
19. Горячая трещина (Hot tear) — трещина от остаточных напряжений.
20. Усадочная полость (Shrinkage cavity) — от неправильного питателя.
21. Смещение (Shift) — рассинхрон половинок формы или стержня (mould shift / core shift).

Неразрушающий контроль отливок

Необходим для уверенности в качестве.

1. Визуальный осмотр — шершавость (сплавленный песок), смещения, отсутствие стержней, поверхностные трещины. Трещины также по тону при ударе молоточком.
2. Гидротест (Pressure test) — для деталей, работающих под давлением. Заполняют водой/маслом/воздухом, погружают в мыльный раствор — пузыри покажут утечки.
3. Магнитопорошковый контроль — для ферромагнитных материалов. Порошок накапливается в месте утечки магнитного поля от трещин/пустот.
4. Капиллярный контроль (Dye-penetrant) — для немагнитных. Флуоресцентная краска, высыхает, в темноте дефекты светятся.
5. Рентгеновская/гамма-радиография — дорого, для подповерхностных дефектов. Дефекты (пустоты, включения, пористость, трещины) на плёнке темнее.
6. Ультразвуковой контроль — сигнал отражается от негомогенностей. Время задержки = координата дефекта. Не подходит для высокой демпфирующей способности (чугун).