Особенности получения качественных отливок методом литья под низким давлением

Статьи от автора: Королев С.П.
Королев С.П., Михайловский В.М., Королев М.С.
Научно-производительное предприятие ОДО “Эвтектика”,
Минск, Беларусь

Процесс формирования отливки сложен и многовариантен вследствие того, что он объединяет явления различной физической природы. В первую очередь, это структурные и фазовые превращения. Условия протекания этих превращений определяют физико-механические свойства сплава в отливке, такие как, предел прочности при растяжении, твердость, пластичность, износостойкость и т.д.

В процессе кристаллизации различные зоны отливки, отличающиеся по массе и геометрической форме, затвердевают и охлаждаются с неодинаковыми скоростями. Эти разноскоростные процессы приводят к возникновению значительных перепадов температур по сечениям отливки и, как следствие – к сложному термонапряженному состоянию отливки. Неравномерность температурных полей и напряжений кристаллизации являются причиной зарождения разнообразных дефектов в отливках сложной конфигурации (дефекты усадочного происхождения, горячие или холодные трещины, недолив и спай и т. д.). Подавляющее большинство дефектов образуется на стадии затвердевания отливки, когда металл переходит из жидкого состояния в твердое [1]. Поэтому, проблема управления формированием бездефектной отливки в литейной форме прежде всего связана с процессами охлаждения расплава и последующей его кристаллизацией.

Как правило, при производстве отливок методом литья под низким давлением (ЛПНД) возникают данные проблемы. Это определяется тем, что методом ЛПНД изготавливают отливки сложной конфигурации, корпусной и картерной группы. Минимизированная (оптимизированная) литниково-питающая система и сложная формообразующая поверхность кокиля подчеркивают важность и сложность управления кристаллизацией отливки при ЛПНД.

Особенность литья под низким давлением заключается в том, что тигель с расплавом в раздаточной печи (камере) герметично закрывают крышкой, в которой установлен металлопровод. Металлопровод погружают в расплав. На крышку устанавливают литейную форму (кокиль), которая через литниково-питающую систему соединяется с металлопроводом. Инертный газ (азот, как правило) под давлением (обычно не превышающим 0,1 МПА) подают внутрь раздаточной печи (камеры) установки, где находится расплав металла. Из-за разницы давления между раздаточной печью (камерой) и литейной формой (кокилем) жидкий металл поступает в кокиль снизу через металлопровод. По окончании заполнения кокиля начинается охлаждение сплава и кристаллизация отливки, при этом, давление снижается до атмосферного, и незатвердевший расплав из металлопровода сливается обратно в тигель. После этого кокиль раскрывают, отливку извлекают, производят подготовку кокиля к повторной заливке сплава, и цикл повторяется.

Литье под низким давлением наиболее широко применяют для изготовления сложных фасонных отливок и, особенно, тонкостенных отливок из алюминиевых сплавов [2]. Реже ЛПНД применяется для магниевых, медных и других цветных сплавов.

Метод литья под низким давлением часто объединяют в группу литья под регулируемым перепадом газового давления. В эту группу, помимо ЛПНД, входят еще два метода: литье с противодавлением и литье вакуумным всасыванием. На рис. 1 показаны схемы способов литья под регулируемым перепадом газового давления [3]

 

Рисунок 1. Схемы способов литья:

         а) Под низким давлением;

         б) С противодавлением;

         в) Вакуумным всасыванием;

1 – расплав; 2 – камера, герметизирующая тигель с расплавом;

3 – крышка камеры; 4 – металлопровод; 5 – литейная форма;

6 – литник; 7 – камера, герметизирующая форму.

 Принципиальным отличием литья под низким давлением является наличие в полостях формы давления газа, соответствующего атмосферному (Pф=Pатм), заливка осуществляется благодаря избыточному давлению газа (Pизб>Pатм) над зеркалом расплава в тигле установки:

ΔP = Pт–Pф=Pизб–Pатм, (1)

где Pт – давление над зеркалом расплава в тигле.

При давлении газа в полости формы, превышающем атмосферное (Pф> Pатм), для лучшего заполнения литейной формы расплавом перепад давлений над зеркалом расплава в тигле должен составлять:

ΔP = Pт–Pф=Pизб–(Pатм+ΔPф), (2)

Заполнение литейной формы расплавом, преодолевая давление находящегося в ее полости сжатого газа (ΔPф), определило название этого метода – литье с противодавлением.

Третий метод – литье вакуумным всасыванием, основан прямо противоположным эффектом – устранении противодавления газа в полости литейной формы путем ее вакуумирования и достижения соотношения: Pф<Pатм. В итоге жидкий металл поступает снизу-вверх в полость литейной формы под действием перепада давлений:

ΔP = Pт–Pф= Pатм –Pвак,  (3)

Рассматривая три этих метода следует сделать вывод о том, что скорость заполнения литейных форм жидким металлом зависит от скорости нарастания ΔP во времени t, т.е.:

 ωр=φ(ΔP/t), (4)

где ωр – скорость заполнения литейных форм металлом,

φ – коэффициент, учитывающий гидравлическое сопротивление системы.

Ввиду того, что метод литья под низким давлением предполагает давление газов в литейной форме равным атмосферному давлению, его применение значительно шире, чем двух других методов литья под регулируемым перепадом газового давления. Это обусловлено более простым техническим воплощением для массового производства сложных машиностроительных отливок.

При управлении кристаллизацией сплава следует учитывать, что в отличие от большинства известных способов литья, основанных на заливке дозы жидкого металла непосредственно в форму или в промежуточное заливочное устройство (например, камеру для прессования машин литья под давлением), в условиях литья под низким давлением жидкий металл, находящийся в тигле, металлопроводе и плоскости литейной формы, в течение всего процесса составляет единую гидравлическую, тепловую, силовую и концентрационную замкнутую систему [2]. Поэтому, как правило, способы рафинирования и модифицирования сплава при ЛПНД несколько отличается от традиционного способа кокильного литья.

При производстве отливок методом ЛПНД наиболее эффективно сочетание неадсорбционных методов обработки, т.е. совокупность методов отстаивания, вакуумирования, а также обработки флюсами, дегазация и фильтрование.

Механизм дегазации можно представить на основе “пузырькового эффекта”, когда вводимый в расплав дегазирующий препарат деструктируя, образует равнораспределенные по объему расплава пузырьки, которые удаляют, как газовую фазу, так и твердые неметаллические включения (оксидного происхождения) (рис. 2). Механизм дегазации гораздо сложнее, чем изображен на рис. 2, однако принципиально происходит по схеме “внедрения” газовой фазы внутрь флотирующего пузырька и “налипания” пленочных неметаллических включений.

 

Рисунок 2. Механизмы дегазации расплава при литье под низким давлением на примере обработки таблеткой “ПРМ-8”.

Широко распространенные методы дегазации на основе использования хлора, гексахлорэтана, фреона-12 (CCl2F2), газовой смеси запатентованной компанией “Reynolds Metals” (15%Cl2+11%CO+74%N2) и других газов на основе хлорида имеют, как положительные моменты, так и отрицательные. Положительные – хорошая дегазация алюминиевых сплавов. Отрицательные – техническая сложность обеспечения безопасности персонала, участвующего в осуществлении операции дегазации из-з высокой токсичности хлора.

Поэтому, в качестве альтернативных активно дегазирующих веществ были найдены такие, как сера, селен, а также CO, которые разрушают оксидную пленку на пузырьке рафинирующего газа по реакции:

XS+YSe+CO+Al2O3 = Al↓+S2↑+ Se2↑+XO2↑+YO2↑+CO2↑,

где X и Y – элементы, образующие соединения с серой и селеном.

На основе данной схематической реакции был разработан эффективный дегазирующий препарат “ПРМ-8” в виде таблеток массой по 250 грамм. Сбалансированное содержание активных соединений серы, селена и других веществ обеспечивает не только объемную глубокую дегазацию алюминиевых сплавов от водорода и кислорода (рис. 2), но и способствует протеканию более равновесной кристаллизации, что минимизирует проявление концентрированных усадочных дефектов в отливке.

Современные представления о механизме рафинирования алюминиевых сплавов флюсами основываются на работах А. И. Беляева [4], который установил, что эффективное действие флюсов определяется их поверхностными свойствами, т.е. соотношением величин поверхностного натяжения жидкостей, участвующих в процессе (рис. 3). Эти условия выражаются неравенством:

σА-0> σФ-0> σФ-А,

где σА-0 – поверхностное натяжение алюминия на границе с оксидом;

σФ-0 – поверхностное натяжение флюса на границе с оксидом;

σФ-А – поверхностное натяжение флюса на границе с алюминием;

Это очень важные аспекты для понимания механизма управлением кристаллизации алюминиевых сплавов, в частности силуминов. В работе [5] авторы приходят к заключению, что создается возможность влияния на структурообразование силуминов с помощью микродобавок, вводимых на определенных этапах формирования фазовых составляющих сплавов.

Понимание происходящих явлений при кристаллизации силуминов позволило научно-производственному предприятию ОДО “Эвтектика” разработать набор препаратов для получения требуемой микроструктуры и свойств силуминов для отливок различного функционального назначения:

- для модифицирования эвтектики (α+Si) – “Препарат рафинирующе-модифицирующий для обработки цветных сплавов ПРМ-4” ТУ BY 100196035.023-2012;

- для рафинирования алюминиевых сплавов – “Препарат рафинирующе-модифицирующий для обработки цветных сплавов ПРМ-3” ТУ BY 100196035.023-2012;

- для дегазации алюминиевых сплавов – “Препарат рафинирующе-модифицирующий для обработки цветных сплавов ПРМ-8” ТУ BY 100196035.023-2012

 

Рисунок 3. Поверхностные явления, происходящие на границах метал – неметаллические включения.

ПРМ-3 

ПРМ-4

ПРМ-8

Рисунок 4. “Препараты рафинирующе-модифицирующие для обработки цветных сплавов”.

Таким образом, применяя операции дегазации, рафинирования и модифицирования препаратами серии “ПРМ” можно стабильно производить отливки из алюминиевых сплавов высокого качества методом литья под низким давлением. Это подтверждено на ряде машиностроительных предприятий Волго-Вятского региона Российской Федерации, где внедрены “Препараты рафинирующе-модифицирующие для обработки цветных сплавов ПРМ-3, ПРМ-4, ПРМ-8” (изображение продукции приведено на рис. 4).

В Украине данную серию “ПРМ” материалов можно заказать у нашего представительства –
ООО “САС-инженерная компания”
Киев, ул. Семашко;
тел/факс +38(044)4242503, 4238299, моб.
Тел. +38(050)5515586;
e-mail: info@sasua.com.ua).

Научно-производственное предприятие ОДО “Эвтектика” уже более 20-ти лет производит не только широкий ассортимент вспомогательных материалов для металлургии и литейного производства (более 70-ти наименований, наш сайт www.evtektika.com) но и разрабатывает технологические процессы для получения отливок различной сложности и ответственности , проводит инжиниринговые работы на предприятиях с целью снижения брака и дефектности литья, повышения качества отливок. Наши высококвалифицированные специалисты готовы находить оптимальные технологические решения для каждого конкретного производства. Приглашаем к сотрудничеству для решения проблем Вашего производства. 

Литература:

  1. Гаврилин И.В. “Плавление и кристаллизация металлов и сплавов”, Владимир, 2000 г., 260 стр.
  2. Батышев А.И. “Кристаллизация металлов и сплавов под давлением”, М., Металлургия, 1977 г., 155 стр.
  3. “Специальные способы литья”, справочник под ред. Акад. АН УССР Ефимова В.А., М., Машиностроение, 1991 г., 436 стр.
  4. Любов Б.Я. “Кинетическая теория фазовых превращений”, М., металлургия, 1969 г. 264 стр.
  5. Курц В., Зам. П.Р. “Направленная кристаллизация эвтектических материалов”, М. металлургия, 1980 г., 272 стр.
Опубликовано: ИТБ "Литье Украины", №5 (201) 2017 г.
Стр. 7-11