Процессы взаимодействия литейной формы с расплавом

Газовые раковины и пористость в отливках. В расплавленном состоянии металлы и сплавы способны активно поглощать значительное количество водорода, кислорода, азота и других газов из оксидов и влаги исходных шихтовых материалов при их плавке, сгорании топлива, из окружающей среды, при заливке металла в форму и т. д.

При заливке металла движущийся расплав может захватывать воздух в литниковой системе, засасывать его через газопроницаемые стенки каналов этой системы. Кроме того, газы могут проникать в металл из формы при испарении влаги, находящейся в формовочной смеси, при химических реакциях на поверхности металлформа и т. д. Для уменьшения газовых раковин и пористости в отливках плавку следует вести под слоем флюса, в среде защитных газов с использованием хорошо просушенных шихтовых материалов. Кроме того, перед заливкой расплавленный металл необходимо подвергать дегазации вакуумированием, продувкой инертными газами и другими способами, а также увеличивать газопроницаемость форм и стержней, снижать влажность формовочной смеси, подсушивать формы и т. д.

Пригар на поверхности отливок. В процессе заливки, затвердевания и охлаждения металл отдает теплоту литейной форме конвекцией, излучением и посредством теплопроводности. Чем дольше протекает металл по определенным участкам формы и находится в них в жидком состоянии, тем сильнее прогревается поверхность формы и тем медленнее остывает расплав. В результате прогрева формы на поверхности контакта ее с металлом интенсивно развиваются тепловые, физико-химические и механические процессы, протекающие в период заливки, затвердевания и охлаждения металла.

Вследствие этих процессов на поверхности отливки образуется пригар, который представлю собой трудноотделимый от поверхности отлив кислой из металла, его оксидов частичек формовочной смеси. Пригар ухудшает поверхность отливки, увеличивает трудоемкость ее очистки, снижает стойкость инструмента при обработке резанием. Различают химический и механический пригары.

Химический пригар образуется на отливках в период соприкосновения форм с полузатвердевшим металлом, еще имеющим высокую температуру. Появлению химического пригара способствует наличие в формовочной смеси оксидов щелочных и щелочноземельных металлов, образующих с оксидом железа силикаты с низкой температурой плавления. Эти силикаты могут проникать между песчинками, образуя пригарную корку.

Для уменьшения химического пригара применяют формовочные смеси с минимальным содержанием оксидов щелочных и щелочноземельных металлов; в зависимости от сплава вокруг отливки создают либо восстановительную, либо окислительную атмосферу; рабочую поверхность формы покрывают противопригарным покрытиями.

Для устранения механического пригара снижают температуру заливки металла; окрашивают формы защитными покрытиями; используют облицовочные смеси и т. д. Кристаллизация сплавов в форме. Залитый в литейную форму металл при охлаждении начинает кристаллизоваться, т. е. образуются кристаллы при переходе из жидкого состояния в твердое. Для образования кристаллов из расплава необходимы зародыши, или центры, кристаллизации, которые могут образовываться самопроизвольно; в качестве центров кристаллизации могут служить примеси, образующиеся в расплаве из продуктов реакций плавки металла в печи.

Условия протекания кристаллизации определяют структуру и свойства сплава и отливки. Чем больше центров кристаллизации, тем мельче будут кристаллы, и наоборот. Структура отливок зависит от условий плавки; примесей, содержащихся в сплаве; способа подвода расплава в форму и охлаждения отливки в форме; интервала кристаллизации и других факторов. Зная влияние различных факторов на процесс кристаллизации сплавов, можно направленно изменять кристаллическое строение отливок, улучшая их свойства.

Напряжения в отливках. В отливках в результате неравномерного затвердевания тонких и толстых частей и торможения усадки формой при охлаждении возникают напряжения. Эти напряжения тем выше, чем меньше податливость формы и стержней. Если величина напряжений превысит предел прочности литейного сплава в данном участке отливки, то в теле ее образуются горячие или холодные трещины. Если литейный сплав имеет достаточные прочность и пластичность и способен противостоять действию возникающих напряжений, искажается геометрическая форма отливки.

Кроме того, образование горячих трещин вызывают резкие переходы от тонкой части отливки к толстой, острые углы, выступающие части и т.д. Высокая температура заливки способствует увеличению зерна металлической структуры и увеличению перепада температур в отдельных частях отливки, что повышает вероятность образования трещин. Для предупреждения возникновения горячих трещин в отливках необходимо создавать условия, способствующие формированию мелкозернистой структуры; обеспечивать одновременное охлаждение тонких и толстых частей отливок; увеличивать податливость литейных форм; по возможности снижать температуру заливки сплава.

Холодные трещины возникают в области упругих деформаций, когда сплав полностью затвердел. Тонкие части отливки охлаждаются и сокращаются быстрее, чем толстые. В результате в отливке образуются напряжения, которые и вызывают появление трещин. Холодные трещины чаще всего образуются в тонкостенных отливках сложной конфигурации и тем больше, чем выше упругие свойства сплава, чем значительнее его усадка при пониженных температурах и чем ниже его теплопроводность.

Опасность образования холодных трещин в отливках усиливается наличием в сплаве вредных примесей (например, фосфора в сталях). Для предупреждения образования в отливках холодных трещин необходимо обеспечивать равномерное охлаждение отливок во всех сечениях путем использования холодильников; применять сплавы для отливок с высокой пластичностью; проводить отжиг отливок и т. п.

Коробление увеличивается при усложнении конфигурации отливки и повышении скорости охлаждения, что вызывает неравномерное охлаждение междуотдельными частями отливки и различную усадку. Коробление отливки может быть также вызвано сопротивлением формы усадке отдельных частей отливки. Для предупреждения короблений в отливках необходимо увеличивать податливость формы; создавать рациональную конструкцию отливки и т. д.