Питание стальных отливок

У сталей общая объемная усадка (в жидком состоянии и при затвердевании) в зависимости от химического состава достигает 4-7 %. При производстве отливок она реализуется в виде усадочных раковин и усадочных пор. Чем крупнее отливка и больше ее толщина, тем больших размеров формируется усадочная раковина, а также протяженнее становится зона усадочной пористости. В стальных отливках усадочные раковины не допускаются. А усадочная пористость частично может допускаться, но это зависит от уровня требований, предъявляемых к отливкам – чем эти требования выше, тем ниже допустимая пористость. Поэтому для получения качественных по усадочным дефектам отливок необходимо, как правило, компенсировать объемную усадку стали. Исключение составляют мелкие отливки с одинаковой небольшой толщиной стенок, у которых усадочные раковины ввиду малости размеров трансформируются в усадочные поры.

Процесс компенсации объемной усадки сплава при литье называют питанием отливки. Источником питания служит прибыль. Согласно ГОСТ 18169-86 прибыль - это «элемент литниковой системы для питания отливок в период затвердевания с целью предупреждения образования усадочных раковин». До заливки жидким металлом этот элемент представляет собой специальную полость в литейной форме, которая связана с полостью будущей отливки. При заливке формы в прибыли происходит накопление жидкого металла, идущего на компенсацию объемной усадки затвердевающей отливки. После формирования отливки прибыль отделяют от нее, как и всю литниковую систему, и утилизируют.

Движущими силами питания являются внешнее и металлостатическое давления, а также капиллярные силы. Внешнее и металлостатическое давления имеют макромасштабный характер воздействия. Они определяют перемещение жидкого металла из одной части отливки в другую и из прибыли в отливку. Капиллярные силы имеют локальный, микромасштабный характер воздействия. Они определяют перемещение жидкости в пределах двухфазной твердо-жидкой зоны затвердеваюшей отливки.

Питание различных частей отливки теоретически можно осуществлять автономно. Однако, практически это трудно реализуемо из-за сложности конструкции отливок. Кроме того это связано с большим расходом металла на прибыли и повышенными затратами трудовых, материальных и энергетических ресурсов при отделении прибыльных частей от отливки. Поэтому желательно сконцентрировать питание отливки из минимального количества центров. Для этого необходимо обеспечить определенную направленность затвердевания - т.е. строгую последовательность завершения этого процесса по направлению к питающему центру: от торцевых частей или периферийных областей к внутренним, от тонких стенок к толстым, а от самой толстой части отливки к прибыли. При наличии протяженных стенок одинаковой толщины для этой цели эти стенки искусственно постепенно утолщают, создавая конусность в направлении к прибыли. Этому же способствует интенсивное охлаждение периферийных областей и замедленное охлаждение около прибыльных областей.

Часть отливки, затвердевающую в последнюю очередь, называют тепловым центром. Последний требует питания от прибыли. При этом количество прибылей обычно равно числу тепловых центров. Требуют питания и отливки, имеющие толстые протяженные стенки одинакового сечения, хотя они не имеют явных тепловых центров. В зависимости от размеров таких стенок и их расположения в форме для питания используют одну и более прибылей. При этом каждая прибыль действует автономно и имеет свою зону питания. В отливках с сочленениями стенок разной толщины часть отливки с большей толщиной стенок может выполнять функции прибыли. В этом случае для них общим тепловым центром становится часть отливки с максимальной толщиной стенок. При этом в зону питания прибыли, устанавливаемой у теплового центра, входят частично или полностью сочлененные с толстостенной частью более тонкостенные части отливки.

Требования к прибылям. К прибылям предъявляют совокупность требований, которые обусловлены необходимостью обеспечения полноценного питания отливки, экономии ресурсов, а также удобствами выполнения технологических операций при формовке и финишной обработке отливок. Эти требования можно разделить на основные и дополнительные. Основные требования обязательны для выполнения, а дополнительные требования носят предпочтительный характер.

Первое основное требование – металл в прибыли всегда должен затвердевать позже, чем в тепловом центре зоны питания. Только в этом случае обеспечиваются необходимые теплофизические условия для реализации процесса питания отливки.

Второе основное требование – количества жидкого металла в прибыли должно быть достаточно для полной компенсации объемной усадки металла отливки или ее питаемой части. Только в этом случае обеспечиваются достаточные материальные условия для полноценного питания отливки и полного вывода усадочной раковины в прибыль.

Третье основное требование – уровень металла в прибыли всегда должен быть выше уровня металла в питаемом узле. Только в этом случае обеспечивается достаточная движущая сила питания, под действием которого происходит самопроизвольное перетекание жидкого металла из прибыли в питаемую часть отливки для компенсации убыли металла на ее объемную усадку.

Первое дополнительное требование – геометрия прибыли, ее расположение в форме и сочленение с отливкой должны быть технологичными, т.е. обеспечивать удобство формовки, а также легкость отделения прибыльной части от отливки.

Второе дополнительное требование – прибыль должна быть экономичной, т.е. расход ресурсов на питание отливки должны быть минимальны. Обычно для этого достаточно иметь минимально возможные размеры и объем прибыли. В случае применения специальных технологических приемов для снижения расхода металла на прибыль они с экономической точки зрения должны быть оправданы.

Классификация прибылей. По последовательности заполнения жидкого металла различают прибыли проливные (проточные) и сливные (Рис. 2.7.1).

Проливные прибыли размещают перед отливкой (Рис. 2.7.1,а). Жидкий металл в такие прибыли поступает непосредственно от литниковой системы, а в полость отливки он попадает уже из прибыли. Вследствие этого к моменту полного заполнения формы температура жидкой стали в прибыли выше, чем в отливке.

Сливные прибыли, в отличие от проливных, размещают за отливкой (Рис. 2.7.1,б. В этом случае жидкий металл из литниковой системы сначала попадает в полость отливки, а из нее уже в прибыль. Соответственно в прибыли металл имеет более низкую температуру, чем в отливке.

Отдельные проливные прибыли более экономичны, чем сливные, т.к. могут быть выполнены меньших размеров. Но при питании отливки совокупностью проливных прибылей требуется литниковая система значительно более протяженная, чем при питании отливки совокупностью сливных прибылей. При этом экономия металла на прибыли не всегда компенсирует возрастающий расход металла на развитую литниковую систему.

По связи с атмосферой различают прибыли открытые и закрытые ((Рис. 2.7.2).

Открытые прибыли не имеют с верхней стороны стенки формы, поэтому поверхность металла в них непосредственно контактирует с атмосферой ((Рис. 2.7.2,а).

Закрытые прибыли имеют верхнюю стенку, выполненную литейной формой ((Рис. 2.7.2,б). Поэтому такие прибыли не имеют непосредственного контакта с атмосферой.

С теплотехнической точки зрения открытые прибыли в стальном литье менее экономичны, т.к. у них через открытую верхнюю поверхность теплоизлучением теряется почти в три раза больше тепла, чем через равновеликую верхнюю поверхность закрытой прибыли. Но с другой стороны открытые прибыли всегда обеспечивают питание отливок под действием атмосферного давления. Последнее эквивалентно действию статического напора жидкой стали высотой 1400-1500 мм. Поэтому открытые прибыли обеспечивают весьма эффективное питание отливок.

В закрытых прибылях действие атмосферного давления прекращается после формирования на поверхности прибыли прочной твердой корки затвердевшего металла. В последующем в полости таких прибылей создается разреженная атмосфера. При этом движущая сила питания ослабевает и эффективность питания отливки снижается. Поэтому, учитывая теплотехнические преимущества закрытых прибылей, стремятся придать им преимущества открытых прибылей или даже усилить их. В зависимости от применяемого для этой цели технологического приема закрытые прибыли дополнительно подразделяют на прибыли, работающие под атмосферным, газовым и воздушным давлением.

Закрытые прибыли, работающие под атмосферным давлением, имеют тонкий газопроницаемый стержень, вставленный в полость прибыли через боковую или верхнюю стенку ((Рис. 2.7.2,в). Торец такого стержня быстро прогревается и металл на ней не затвердевает. А газопроницаемость стержня обеспечивает необходимое сообщение с атмосферой. Поэтому такая прибыль обладает преимуществами как открытой, так и закрытой прибыли. Роль газопроницаемого стержня может выполнять и конусный выступ (“болван”) выполняемый на верхней поверхности прибыли (Рис. 2.7.2,г). Этот вариант более технологичен и менее трудоемок при формовке.

Закрытые прибыли, работающие под газовым давлением, имеют вместо газопроницаемого стержня газотворный патрон ((Рис. 2.7.2,д). В патроне в качестве заряда с одержится смесь мела и кокса (угля). Углекислый кальций мела под действием тепла жидкой стали разлагается с выделением диоксида углерода СО₂. Последний в свою очередь взаимодействует с углеродом кокса с образованием монооксида углерода СО. Выделяющиеся и образующиеся газы при температурах свыше 900 ^ОС создают в полости прибыли сверхатмосферное давление. Это способствует увеличению движущей силы питания и повышению его эффективности.

Закрытые прибыли, работающие под воздушным давлением, имеют вставленную в полость прибыли керамическую вставку с отверстиями (Рис. 2.7.2,е). Вставка через стальную трубку и гибкий шланг соединена с воздушным компрессором. После формирования прочной корки на поверхности прибыли включают компрессор и в полости прибыли создают воздушное давление, которое в 4-6 раз превышает атмосферное.

По способу сочленения с отливкой различают прибыли прямого действия и отводные (Рис. 2.7.3).

Прибыли прямого действия непосредственно сочленены с тепловыми узлами отливок и их размещают над ними. Поэтому их еще называют верхними (Рис. 2.7.3,а).

Прибыли отводные сочленены с тепловыми узлами отливок через горизонтальные или наклонные шейки и их размещают сбоку тепловых центров. Поэтому их еще называют боковыми (Рис. 2.7.3,б).

Прибыли прямого действия более эффективны, чем отводные, т.к. в них при одинаковой высоте прибыли обеспечивается больший металлостатический напор.

По условиям охлаждения прибыли относительно отливки различают прибыли обычные, теплоизолированные и обогреваемые (Рис.2.7.4).

Обычные прибыли выполняют в форме также, как и отливки - из одинакового формовочного материала (Рис. 2.7.4,а). Поэтому внешние условия охлаждения в них металла идентичны.

Теплоизолировынные прибыли формуют из менее теплопроводного материала, чем отливки (Рис. 2.7.4,б). Для этого используют предварительно изготовленные оболочковые стержни-вкладыши из специальной смеси с низкой теплоаккумулирующей способностью.

Обогреваемые прибыли имеют внешний источник тепла (Рис. 2.7.4,в). Их обогревают теплотой экзотермической реакции, электрическим током или газом. В первом случае, как и в предыдущем варианте прибыли, используют оболочковые стержни-вкладыши, но изготовленные из экзотермической смеси. Основными тепловыделяющими компонентами такой смеси являются алюминиевый порошок, окислитель (железная руда или окалина) и наполнитель (шамотный порошок). Под действием теплоты жидкой стали вкладыши нагреваются, а затем компоненты экзотермической смеси вступают во взаимную реакцию с выделением большого количества тепла. Поэтому охлаждение металла в прибыли или тормозится, или вовсе блокируется. Это позволяет в 2-4 раза уменьшить расход металла на прибыли.

Обычные прибыли при наличии открытой верхней поверхности также могут функционировать как частично теплоизолированные или частично обогреваемые. Для этого поверхность расплава в открытой поверхности прибыли присыпают соответственно теплоизолирующим материалом или экзотермической смесью.

По геометрической форме прибыли классифицируют на цилиндрические, шаровые, призматические и комбинированные (Рис. 2.7.5).

Цилиндрические прибыли технологичны с точки зрения формовки и вполне экономичны. Поэтому их используют наиболее часто. Для удобства формовки такие прибыли имеют прямой (Рис. 2.7.5,а) или обратный (Рис. 2.7.5,б) уклон. При большом уклоне они трансформируюся в конические прибыли.

Шаровые прибыли с теплотехнической точки зрения наименее эффективны. Кроме того, они нетехнологичны с точки зрения формовки, т.к. имеют цилиндрическую шейку меньшего диаметра по сравнению с шаром (Рис. 2.7.5,в). Это создает дополнительные проблемы извлечения модели прибыли при горизонтальной поверхности разъема формы. Хотя этот недостаток в некоторых случаях (при использовании выжигаемых или выплавляемых моделей, при вертикальном разъеме формы) устраняется, но ввиду изложенного выше диаметр шейки увеличивают до диаметра шара, трансформируя нижнюю часть шаровой прибыли в цилиндрическую.

Призматические прибыли применяют весьма часто. Конкретные сечения таких прибылей определяются конфигурацией места их установки, т.е. термического узла. Они могут быть прямоугольными, овальными, чечевицеобразными, кольцевыми и сложнофигурными (Рис. 2.7.5,г).

Комбинированные прибыли сочетают геометрические характеристики перечисленных выше прибылей. Наиболее типичными примерами являются цилиндро-шаровые прибыли, у которых нижняя часть имеет цилиндрическую форму, а верхняя часть представляет собой полушар (Рис. 2.7.5,д), или цилиндро-призматические прибыли, у которых нижняя часть выполнена в виде горизонтальной призмы, а верхняя часть –в виде горизонтального цилиндра (Рис. 2.7.5,е).

По способу отделения от отливки прибыли классифицируют на легкоотделяемые и отрезные.

Легкоотделяемые прибыли имеют тонкую шейку (Рис. 2.7.6). Наличие тонкой шейки позволяет значительно сократить трудоемкость отделения прибыли от отливки. Небольшие прибыли отделяются при несильном ударе. Поэтому их еще называют отбивными. Для формирования тонкой шейки используют специальные разделительные стержни – диафрагмы.

Отрезные прибыли не имеют тонкой шейки. Для их отделения от отливок применяют разнообразные способы и инструменты. Большинство рассмотренных выше прибылей относятся к отрезным.

По числу питаемых узлов прибыли классифицируют на индивидуальные и групповые.

Индивидуальные прибыли питают одну отливку или часть отливки. Групповые прибыли имеют несколько питаемых узлов. При одновременном питании нескольких (группы) узлов из одной прибыли объем ее намного меньше суммарного объема индивидуальных прибылей, обеспечивающих эквивалентное питание. Поэтому групповые прибыли более экономичны, чем индивидуальные.

Дата добавления: 2014-01-07