ЗАЛИВКА МЕТАЛЛА

Заливка — одна из операций изготовления отливок, состоящая в заполнении полости литейной формы расплавленным металлом. Рас­плавленный металл поступает из плавильного агрегата, как правило, в разливочный ковш, а затем разливается по формам. Разливку чугуна и цветных металлов производят из поворотных ковшей через носик или из чайниковых ковшей с забором металла из нижней части ковша. Большие количества металла, в особенности стали, разливают из ков­шей со стопорным устройством (рис. 4.10).

4.2.1. ЛИТНИКОВАЯ СИСТЕМА

Литниковая система — это совокупность каналов, через которые расплавленный металл попадает в полость формы.Она должна обеспечить правильное распределение металла в полости формы, не допустив проникновения инородных тел (шлака, огнеупора), разруше­ния формы, а также завихрения и разбрызгивания металла. Литниковая система, кроме того, должна способствовать созданию такого теплово.го режима в форме и отливке, при котором в процессе затвердевания и охлаждения металла не развивались бы дефекты усадочного проис­хождения. Литниковая система состоит из следующих основных эле­ментов (рис. 4.11): литниковая чаша (воронка), стояк, распределительный "канал (шлакоуловитель), литники (питатели).

Литниковая чаша направляет металл, заливаемый из ковша, в литниковую систему, гасит энергию струи, поддерживает постоянный уровень металла при заполнении формы и задерживает посторонние

включения (оксиды, шлак, песок), принесенные потоком металла из заливочного ковша. Литниковые чаши применяют при литье чугуна и цветных металлов, заливаемых из поворотных ковшей. При литье стали, заливаемой из стопорного ковша, применяются литниковые воронки. В воронках не отделяется шлак, но металл охлаждается меньше.

Стояк предназначен для подвода металла из литниковой чаши или воронки в нижние части формы. В основании стояка имеется чашечка-зумпф, гасящая удар струи и препятствующая размыванию формы.

Вертикальный стояк, как правило, соединяется с горизонтальным каналом, назначение которого — подвести металл к различным местам отливки. Этот канал называют распределительным или

литниковым ходом, при литье чугуна — шлакоуло­вителем, при литье цветных металлов — коллектором.

Литники (питатели) — последний элемент литниковой системы — предназначены для под­вода металла непосредственно в полость формы.

Различают несколько характер­ных способов подвода литников.

При сифонной заливке литники подводят к нижней части отливки (рис. 4.12, а). Сифонная за­ливка обеспечивает спокойное за­полнение полости формы без раз­брызгивания. Однако пока рас­плав достигает верхней части формы (см. п. 4.3.1), он успевает остыть, что ухудшает питание отливки из прибылей и может привести к появлению раковин в отливке.

При заливке сверху через литник, подведенный к верхней части отливки (рис. 4.12, б), форма заполняется в направлении, проти­воположном направлению выхода газов, вследствие чего часть газов может попасть в отливку. Кроме того, расплав, падая на дно формы, разбрызгивается, сильнее окисляется и может размыть форму в местах падения. Преимуществом заливки сверху является поступление самого горячего металла в верхнюю часть отливки и в прибыль.

Для заливки в середину литники подводят к середине отливки, на уровне 1/2 ее высоты (рис. 4.12, в). В этом случае нижняя часть заполняется как при заливке сверху, а верхняя — как при заливке снизу.

Практикуется и заполнение литейной формы через несколько лит­ников. Например, используется ijwa сширяющаяся ступен­чатая литниковая система (рис. 4.12, г), суммарная площадь поперечного сечения литников которой больше площади поперечного сечения стояка, благодаря чему жидкий металл, поднявшись до сред­него уровня, вновь поступает в стояк. Возникает циркуляция, показан­ная стрелками.

Обратное движение имеет место, если ступенчатая система заперта (рис. 4.12, д).

Ступенчатая литниковая система может быть разделена на несколь­ко отдельных стояков (рис. 4.12, е), заполнение которых происходит в соответствующем порядке.

Сифонная заливка металла через ступенчатую литниковую систему (рис. 4.12, ж) обеспечивает благоприятное распределение температуры в отливке.

4.2.2. ЗАПОЛНЕНИЕ ФОРМЫ

Заполнение литейной формы металлом сопровождается интенсив­ным взаимодействием расплавленного металла с атмосферой воздуха, с газами, выделяющимися из формы, с огнеупорным материалом формы.

В случае неудачной организации заполнения возможно разрушение формы, что отрицательно сказывается на качестве отливки.

Металл при заливке охлаждается, теряет жидкотекучесть, что мо­жет помешать полному вопроизведению контура формы. Перегрев металла перед заливкой не решает проблемы, поскольку он чреват опасностью окисления, газопоглощения, развития усадочных и других дефектов.

Заливка должна проводиться в определенном температурном интер­вале и с определенной скоростью.

Рассматривая процесс заполнения литейной формы, можно выде­лить три стадии движения металла: свободное падение струи металла, течение по каналам литниковой системы, движение в полости формы.

Движение открытой струи металла. Свободное падение струи ме­талла происходит при выпуске металла из печи в ковш, из ковша

в форму и т. д При этом открытая со всех сторон струя проделывает опреде­ленный путь; от длины этого пути, ско­рости течения и площади открытой поверхности металла зависит степень окисления.

Известно, что свободная струя жид­кости на определенном расстоянии на­чинает разбиваться на капли. Заливка форм такой разбрызгивающейся струей недопустима.

Степень окисления металла зависит также от растворимости его в жидком металле. Так, расплавленная медь силь­но окисляется вследствие растворения в ней закиси меди. Если же образуются нерастворимые твердые окислы, велика опасность загрязнения металла неме­таллическими включениями. При этом не последнюю роль играет механиче­ская прочность пленок. Как уже говори­лось, оксиды магния, например, обра­зуют на металле рыхлые, весьма не­прочные оболочки, проницаемые для воздуха, вследствие чего магниевые

сплавы при литье легко окисляются. Оксиды алюминия и его сплавов, напротив, образуют плотные пленки на поверхности струи металла. При малой скорости движения металла они не разрушаются, так что струя металла течет в оболочке из пленки оксидов, предохраняющей металл' от дальнейшего окисления. Однако прочность этих пленок весьма ограничена. Достаточно легкого колебания струи, чтобы пленки оборвались и были отнесены в глубь отливки. Тем не менее поверхность струи мгновенно покрывается новой пленкой.

Заливка формы свободно падающей струей металла порождает вихревое движение на дне формы, в которое вовлекаются частички шлака, окислов, пузырьки газов (рис. 4.13). Кроме того, такой способ заливки сопряжен с опасностью разрушения дна формы.

Движение металла по каналам литниковой системы. В этом движе­нии можно выделить несколько стадий.

Движение в литниковой чаше. При попадании струи металла в литниковую чашу ее скоростной напор гасится (рис. 4.14). Заполнение формы происходит под напором, определяемым уровнем металла в чаше.

В литниковой чаше создаются благоприятные условия для удаления шлака (рис. 4.14). Постороннее тело, занесенное струей из точки А в точку В, будет находиться под действием двух сил: силы всплывания,

направленной вверх, и силы потока, увлекающей постороннее тело по направлению движения. В результате тело переместится в точку С. В точке С поток снова изменяет свое направление, что сопровождается потерей скорости, и тело передвигается в точку D.

Уровень металла в чаше поддерживают постоянным от начала до конца заливки.

Движение по стояку. Из чаши металл попадает в стояк — верти­кальный канал, чаще всего круглого поперечного сечения. Обычно ради удобства формовки стояки делают суженными книзу.

Важное значение имеет заполнение стояка. При частичном заполнении стояка линейная скорость вытекания металла мала. В самом стояке возможно насыщение расплава воздухом, разбрызгивание и окисление металла.

Если стояк заполнен целиком, металл в нем почти не окисляется. Однако в распределительный канал расплав вытекает с большой ли­нейной скоростью, что вызывает большое перемешивание и окисление металла.

Движение по распределительному каналу. Основное назначение этого канала — задержать частицы шлака, флюса, огнеупора, пленки оксидов и других взвешенных включений, которыми загрязнен расплав. При достаточно малой скорости потока загрязнения, в силу того что они легче металла, постепенно всплывают и скапливаются вверху. В итоге в литники, присоединенные к нижней части распределительно­го канала, поступает чистый металл.

Площадь поперечного сечения распределительного канала должна быть достаточно большой, для того чтобы обеспечить медленное тече-

ние металла, а высоту поперечного сечения выбирают таким образом, чтобы добиться удержания загрязнений.

Для удержания взвешенных частиц в литниковой системе иногда устанавливают фильтрующие элементы.

Движение по литникам. По литникам расплав поступает непосред­ственно в форму. Линейная скорость движения расплава в литниках, особенно на выходе в полость формы, во избежание разбрызгивания должна быть незначительной. Это условие выполняется, если площадь поперечного сечения литников достаточно велика. Поскольку высота поперечного сечения литника должна быть по возможности небольшой, чтобы предотвратить попадание шлака из распределительного канала в литник, обычно увеличивают поперечный размер. Как правило, литники имеют форму узкой широкой щели. Иногда щелевые литники делают плавно расширяющимися к отливке, что позволяет уменьшить скорость движения металла.

Как уже говорилось, особое значение имеет выбор места подвода литников к отливке. Наиболее спокойное заполнение формы металлом обеспечивается при подводе литников снизу (см. рис. 4.12).

Способ подвода литников оказывает очень большое влияние на характер затвердевания отливки. Через литник протекает весь расплав, заполняющий форму, из-за чего форма около литников разогревается и охлаждение и затвердевание металла в этой области замедляются. Это может послужить причиной развития усадочных пустот в тех зонах отливки, которые затвердевают последними. Заливка металла снизу неблагоприятно сказывается на затвердевании. Последовательное и на­правленное затвердевание отливки без образования усадочных пустот наиболее легко достигается при заливке сверху. Однако условия запол­нения при этом совершенно неудовлетворительны. Вот почему в каж­дом конкретном случае приходится искать компромиссное решение, такую конструкцию литниковой системы, которая бы позволила удов­летворить первостепенные требования.

Поскольку внутренние усадочные дефекты практически не влияют на качество художественного литья, при выборе места подвода литника к отливке предпочтение должно отдаваться варианту, обеспечивающе­му спокойное заполнение, т. е. заливке снизу.

Как уже отмечалось, в зависимости от отношения площадей попе­речных сечений каналов литниковые системы могут быть сужающими­ся (запертыми) или расширяющимися (незапертыми).

В сужающихся системах соблюдается условие

**ст •" м>.» ^> 'лип

где Я_ст, Fp._r, рлит — площади поперечных сечений стояка, распреде­лительного канала и совокупности литников соответственно.

Сужающиеся системы заполняются первыми потоками расплава. В них линейная скорость истечения металла из литников определяется напо­ром, измеряемом разностью высот от уровня в чаше до литников.

В расширяющихся системах соблюдается обратное соотношение площадей поперечных сечений

fct < Fp.i < Р_ЛИТ.

Основное достоинство расширяющихся литниковых систем состоит в том, что в первые моменты заливки металл вытекает из литников в полость формы с малой линейной скоростью, определяемой уровнем металла в незаполненном распределительном канале.

Сужающиеся литниковые системы применяют для заливки чугуна, расширяющиеся — для заливки алюминиевых, медных и магниевых сплавов.

Движениеметалла в полости формы. Заполнение литейной формы организуют так, чтобы в результате движения металла в отливке не появились дефекты. Нельзя, например, допускать слива металла с одного уровня на другой, что аналогично заполнению свободно падающей струей.

Движение металла отдельными потоками навстречу друг другу может служить причиной спаев на поверхности отливки.

Резкие переходы в отливке от одного сечения к другому нарушают течение металла и приводят к его разбрызгиванию.Нельзя направлять поток металла перпендикулярно к стенке формы — поток может разрушить форму и вызвать различные дефекты (засоры, вздутия и др.).

4.2.3. РАСЧЕТ ЛИТНИКОВОЙ СИСТЕМЫ

Размеры элементов литниковой системы определяют по элементар­ным формулам, в которые введены обобщенные опытные коэффици­енты. В большинстве случаев расчет ведут методом Озанна-Дитерта, предложенным в первой половине XX века.

Прежде всего находят суммарную площадь попереч­ного сечения литников

F - ^{М М}

*лит — ——— — ,———— ,

prv pip \²9"р

где М — масса отливки; р — плотность расплава; т — продолжитель­ность заливки; v — скорость истечения металла; ft — коэффициент сопротивления; д — ускорение силы тяжести; Я_р — расчетный стати­ческий напор металла.

Статический напор Н_р определяют из соотношения

я н ^^ТЛ

Н_р _.Н_СТ— ,

•'"ОТЛ

где Н_ст — высота стояка от места подвода металла в форму; Н_ОТл — высота отливки; Ло_ТЛ — расстояние от места подвода металла в форму до верха отливки.

где i — преобладающая толщина отливки; A, m, n — эмпирические величины, значения А приведены в табл. 4.1; m = л = 0,334.

Наиболее часто используют зависимость т = A ³V<JM.

Коэффициент сопротивления ft, характеризующий гидравлические потери, обычно определяют экспериментально. Для мелкого тонко­стенного чугунного и стального литья этот коэффициент принимают равным 0,25—0,4, для крупного тонкостенного литья — 0,7—0,8.

По площади поперечного сечения литников определяют площади поперечного сечения распределительного

При литье по выплавляемым моделям литниковая система должна обеспечивать не только качественное заполнение литейной формы, но и компенсировать объемную усадку металла при затвердевании. Как правило, каждая форма является оригинальной конструкцией и требует разработки особой литниково-питающей системы, оптимальной для этой конструкции.

При изготовлении цент­робежным способом мелких отливок по выплавляемым моделям литниковая система состоит обычно из чаши, стояка и литников. Ее конст­руируют так, чтобы до пол­ного затвердевания отливки в стояке и чаше находился жидкий металл.

Для изготовления отливок из медных сплавов массой до 1 кг при­меняют разветвленную систему, в которой суммарная площадь попе­речного сечения литников больше плошади поперечного сечения стояка: F_CT : Р_лнт = 1:(2+4).