Дефекты корпусных отливок при ВПФ

Статьи от автора: Феклин Н.Д.

Феклин Н. Д.

При литье корпусных отливок, с использованием метода вакуумно-пленочной формовки, применяют основные два вида форм - с вертикальным и горизонтальным разъемами. Вертикальный разъем формы имеет преимущества перед формой с горизонтальным разъемом. Заливка металла в форму с вертикальным разъемом, позволяет осуществлять его поступление в нижнюю часть формы, что способствует ее плавному заполнению и улучшает условия формирования отливки. В существующей практике литейных предприятий вертикальный разъем форм используется крайне редко, так как имеет свои технологические ограничения по возможности получения других видов отливок.

Для более полного понимания процессов, происходящих в литейной форме с горизонтальным разъемом, при производстве корпусных отливок, предлагаю заглянуть внутрь формы в момент ее заполнения жидким металлом (пример построения литниковой системы - Рис.1).

 

Рис.1

Как правило, при проектировании литейной технологии, стремятся большую часть модели максимально размещать в нижнюю полуформу. Падение вакуума в ней, в процессе заливки, меньше, чем в верхней полуформе, что повышает ее стойкость. Питатели, размещенные между двух полуформ, приводят к поступлению жидкого металла в форму сверху вниз. Заполнение вакуумной формы расплавленным металлом сверху вниз, приводит к возможному не контролируемому размыву (прожигу) облицовочной пленки формы).

В первоначальный момент заливки, в нижнюю часть формы поступает самый остывший металл, отдавший свое тепло холодным стенкам стояка, литниковой системе и стенкам формы. В связи с понижением температуры металла в начале заливки и резкому падению металла сверху на нижнюю часть, облицованной пленкой, формы, а также вероятному попаданию частей облицовочной пленки в поток металла, происходит его быстрая поверхностная кристаллизация. Газы, образующиеся от сгорания пленки, попавшей под поток металла, могут привести к образованию газовых дефектов. Происходит, так называемый, «вскип». Часть расплава облицовочной пленки и образующихся газов через поры противопригарного покрытия, под действием отрицательного давления, засасываются в тело формы. В виду не достаточной пористости покрытия, а также выделения большого количества газов из пленки, попавшей под слой жидкого металла, часть газов остается в поверхностном слое металла, воздействуя на него, что может привести к образованию газовых раковин, газовой пористости, газовой шероховатости, свищевидным раковинам (образование столбчатых кристаллов, за поверхностной твердой коркой, захватившей пузырьки газов, приводит к сжатию этих пузырьков газа и их "удлинению" вдоль кристаллов). В дальнейшем, под действием высокой температуры в зоне фронта поступающего металла происходит термическое разложение облицовочной пленки, то есть еще до заполнения этой части полости формы металлом. Незначительная часть продуктов разложения пленки, под действием вакуума, через поры противопригарного покрытия проникают в форму. В последующем, продукты разложения пленки, сгорают в теле формы и удаляются вакуумной системой. Основная же часть продуктов разложения пленки не проникает в форму, в виду незначительной пористости противопригарного покрытия и быстрого заполнения формы жидким металлом. Большая часть продуктов разложения пленки удаляется из формы через выпора, другая смешивается с наружным слоем металла, что приводит к не значительным образованиям поверхностных дефектов (при быстрой поверхностной кристаллизации металла, особенно имеющего повышенную вязкость, пузырьки газов застывают в нем). В первоначальный момент заливки газы из полости формы удаляются через выпора и это продолжается примерно 1-2сек. Затем, по мере выгорания и термического разложения пленки, воздух засасывается внутрь формы, компенсируя объем воздуха, откачиваемый вакуумной системой, поддерживая необходимое разряжение в форме до ее заполнения металлом.

В процессе заливки, в зоне продвижения фронта металла, происходит местное изменение газового давления (разряжения) в теле формы, от резкого падения вакуума, до его выравнивания, что может привести к местному разрушению формы (обвал формы), либо засору отливки формовочным песком (поверхностное включение).

За счет высокой температуры жидкого металла в начале заливки, происходит быстрый разогрев облицовочной пленки во всей полости формы. Пленка переходит в жидкую фазу, оголяя полость формы не заполненную металлом. Начинает происходить интенсивный подсос воздуха, приводящий к резкому падению уровня разряжения в верхней полуформе (до 0.25-0.3 атм.). В местах слияния стенок отливок, где площадь отсоса газов через форму ограничена, разряжение может упасть еще ниже. Большая часть расплавленной массы облицовочной пленки, из-за низкого вакуума в верхней полуформе, «стекает» по стенкам формы и «сливается» («капает») на стержень. В местах слияния стенок жидкий металл подходит одновременно со всех сторон и "зажимает" оставшийся расплав пленки под собой. Происходит «вскип» - мгновенное испарение расплава пленки. Газы, через жидкий металл в месте слияния его двух (и более) потоков, устремляются вверх, что приводит к образованию газовых раковин, либо газовой пористости, поражающих этот участок стенки отливки (образующиеся в затвердевшем металле мелкие газовые пузырьки, не успевшие удалиться из отливки, образуют групповые раковины, поражающие большой объем отливки или отдельные ее части) (Рис. 2, Рис.3). Чаще всего, такой дефект приводит к отбраковке отливки и исправлению не подлежит. В дальнейшем, при заполнении верхней части формы, металл герметизирует ее внутреннюю поверхность и разряжение в верхней полуформе повышается. Процесс движения газов через жидкий металл приостанавливается. Стержень при высоком нагреве дополнительно выделяет газы, способствующие увеличения вероятности образования газовых дефектов. Для отливок не большой массы время заливки металла в форму минимальное, что значительно снижает вероятность образования таких дефектов.

 
 Рис.2 

Рис.3

Основные факторы образования газовых дефектов:

- Появление значительного объема расплава пленки на нижней поверхности формы, за счет стекания разогретого расплава по стенкам отливки вниз, отрыв части облицовки внутренней поверхности формы потоком жидкого металла, попадание расплава пленки с верхней полости формы на стержень.

- Нанесения толстого, плохо проницаемого для газов, слоя противопригарного покрытия и его не полная сушка. Жидкий металл, поступая внутрь формы, приводит к быстрому поверхностному нагреву полости формы. Происходит выгорание облицовочной пленки и нагрев противопригарного покрытия с выделением газа. Ограниченная газопроницаемость противопригарного покрытия, большой объем выделяемых газов и низкая температура жидкого металла (особенно для сталей, имеющих повышенную вязкость и низкую жидкотекучесть) приводят к ускоренной кристаллизация металла в зоне контакта жидкого металла с формой и попадания газа в этот слой.

- Поступления в форму вместе с жидким металлом частиц сгораемой внутренней

"грязи" из литниковой системы.

- Использования толстой облицовочной пленки.

- Не полная очистка внутренней полости формы перед заливкой ее металлом.

- Не достаточное сечение выпоров в форме, приводящих к затруднительному удалению газов в начале заливки формы металлом.

- Образования конденсата на облицовочной пленке в полости формы.

- Низкое разряжения в местах формы, расположенных со значительным удалением от отсасывающей системы опоки.

Чаще всего, такие дефекты возникают при наличии сразу нескольких негативных факторов, но основными являются – не правильный подвод жидкого металла в форму, не полное и небрежное выполнение операций при производстве формы, использование стержней изготовленных по технологии отличной от технологии изготовления формы.

Стержни, изготовленные по технологии ВПФ, позволяют убрать со своей поверхности большую часть расплава пленки, тем более что, разряжение в стержне остается постоянным в процессе заливки формы металлом.

Дополнительная термическая обработка внутренней поверхности формы, либо ее проблемных мест (места «слияния» стенок, места первоначального поступления жидкого металла в форму), изначально улучшит условия формирования отливки в форме, многократно снизив риск образования газовых дефектов.

Поверхностный анализ дефекта отливки (Рис.4):

Рис.4

На представленной отливке «корпус задвижки» явно просматривается местный дефект поверхности; газовая шероховатость и свищевидные газовые раковины, образованные в нижней части формы. Образованию данных дефектов способствует литейная технология, используемая для форм с горизонтальным разъемом. Быстрое поступление охлажденного жидкого металла, в первоначальный момент заливки, сверху вниз на внутреннюю облицованную пленкой полость формы, не позволяет продуктам разложения пленки освободить поверхность до поступления на нее металла, который мгновенно образует тонкую застывшую корку. Газ, образующийся от разложения облицовочной пленки, находящийся между формой и тонкой коркой металла, выдавливает в корке (деформирует ее) сферические углубления. Часть пузырьков газа под действием разряжения через поры в противопригарном покрытии проникают в форму и удаляются вакуумной системой. Другая часть пузырьков газа прорывается через наружную корку металла и попадает в зону образования столбчатых кристаллов, где пузырьки газа сжимаются, вытягиваются вдоль столбчатых кристаллов, образуя свищевидные раковины либо газовую пористость.

Опубликовано: ИТБ "Литье Украины", №3 (199) 2017 г.
Стр. 9-11