Рух розплаву в прес-формі - Технологія лиття під тиском
При лиття під тиском основними факторами, що визначають формування виливки, є тиск в камері пресування і прес-формі, швидкості руху поршня і впуску рідкого металу у форму, параметри литниково-вентиляційної системи, температури металу, що заливається, і форми, режими змащування та охолодження робочої порожнини форми та камери пресування.
Сукупність таких параметрів, як тиск у потоці металу, швидкість руху металу, протитиск, що виникає внаслідок утрудненого видалення повітря та газоподібних продуктів згоряння мастильного матеріалу, утворює гідродинамічний режим формування виливка. Температури сплаву, що заливається, і форми, тривалість заповнення і підпресування, а також темп роботи визначають тепловий режим процесу.
Від правильного вибору технологічних режимів заповнення та підпресування, що визначають конструкцію прес-форми, тип та потужність машини для лиття під тиском, залежить якість виливків.
Теоретичні основи процесу лиття під тиском розроблені на основі проведених наукових досліджень та накопиченого виробничого досвіду.
Гідродинамічний режим формування виливка створює кінетику заповнення, газовий режим форми, характер розподілу газових включень у виливку та якість рельєфу її поверхні. Тиск у потоці металу виникає в результаті опору руху металу при проходженні його через тонкі перерізи порожнини прес-форми та обтікання стрижнів, при поворотах, звуження та розширення потоку. У разі відсутності опору величина гідродинамічного тиску в потоці визначається протитиском повітря та газів, видалення яких утруднене через неможливість виконання вентиляційних каналів великого перерізу.
Чіткість оформлення рельєфу та шорсткістьповерхні виливки залежить від кінетичної енергії потоку. У момент закінчення руху створюється гідродинамічний тиск на стінки прес-форми.
Висока швидкість потоку, що впускається (швидкість впуску) відповідає отриманню тонкостінних великогабаритних виливків складних обрисів. Високі швидкості впуску та потоку в прес-формі створюються в результаті швидкого переміщення пресуючого поршня. Для подолання опору твердіє маси металу в тонких перерізах оформляє порожнини, а також опору газів, що залишаються у виливку, необхідний високий гідростатичний тиск. Воно передається від пресуючого поршня через литниковий канал живлення. Чим пізніше затвердіє живильник, тим триваліша дія тиску. Процес передачі гідростатичного тиску в порожнину прес-форми називається підпресуванням. Використання потовщених живильників дозволяє здійснити підпресування та живлення виливки рідким металом у період кристалізації і тим самим усунути усадкові раковини.
Процес руху металу в камері пресування та прес-формі можна розбити на чотири фази. На малюнку 1 наведені криві зміни швидкості хпр переміщення пресуючого поршня і тиску р робочої рідини в циліндрі пресування за час ходу поршня. Якщо прес-форма заповнюється суцільним потоком, то зміна тиску металу в її порожнині буде подібна до зміни тиску рідини в циліндрі. За час ф1 поршень перекриває заливний отвір (фаза I). Швидкість поршня хпр1 невелика. Значення відповідає тиску, необхідному для подолання тертя в гідравлічному циліндрі і камері пресування. Період ф2 (фаза II) відповідає заповнення металом під дією поршня всього обсягу пресування камери, аж до литникових каналів. Швидкість поршня починає зростати ідосягає максимального значення хпр2 (на машинах сучасних моделей можливий ще один ступінь підвищення швидкості в період заповнення). Тиск с2 більше с1 величину гідравлічних опорів в камері пресування.
Малюнок 1 - Зміна швидкості пресуючого поршня в тиску в циліндрі пресування за час ходу поршня
У період часу ф3 (фаза III) заповнюється літникова система та порожнина прес-форми. Внаслідок різкого звуження потоку в живильнику швидкість падає до хпр3, а тиск С3 підвищується. При менших значеннях максимальної швидкості тиск у фазах II та III також падає (штрихові лінії). У момент закінчення ходу поршня відбувається гідравлічний удар внаслідок ітераційних сил рухомих частин пресуючого механізму, тиск зростає. Після згасання коливання встановлюється кінцевий гідростатичний тиск С4 і починається фаза IV - підпресування. Величина кінцевого тиску залежить від роду сплаву, його стану (в'язкості, густини), вимог до виливку та інших факторів. Вона може змінюватись від 0,50 до 50 кПа. Якщо до моменту досягнення тиску с4 метал у живильнику залишається рідким або, як прийнято називати, рідкорухомим, то цей тиск передається на затвердювальну виливок.
Максимальне зусилля підпресування має розвиватися механізмом, що пресує, машини не в момент початку затвердіння виливки, а практично відразу після закінчення заповнення прес-форми [3].
Характер руху розплаву та прес-формі впливає на ступінь видалення повітря та продуктів розкладання мастильного матеріалу з прес-форми, на утворення у виливках газової пористості. За даними В. М. Пляцького, А К. Білопухова, Л. Фроммера, В. Брандта, В. Онезоргера та інших дослідників, характер руху розплаву в прес-формі залежить від швидкості йоговпуску, геометрії та розмірів живильника, в'язкості та поверхневого натягу розплаву, умов його взаємодії зі стінками прес-форми, умов видалення повітря та газів з її порожнини. Різним поєднанням цих факторів досягається різноманітність характерів заповнення порожнини форми: суцільним спокійним потоком з низькою його турбулентністю при лиття з малими швидкостями впуску; суцільними турбулентним потоком при лиття із середніми швидкостями впуску; дисперсним потоком при лиття з високими швидкостями впуску.
При заповненні суцільним спокійним потоком струмінь розплаву зі швидкістю і при виході з живильника зберігає форму до удару об стінку прес-форми, а потім змінює напрямок зниження малюнок 1. Критична швидкість, при якій зберігається спокійний характер руху розплаву, залежить від в'язкості розплаву та інших факторів. Так, зі збільшенням в'язкості розплаву (зниженням його температури або заливки сплаву в твердорідкому стані) критичні швидкості, при яких зберігається спокійний характер руху, зростають.
Малюнок 2 - Схема заповнення прес-форми суцільним спокійним (ламінарним) потоком: - Товщина виливки; - Товщина струменя; - швидкість потоку
Якщо для рідкого розплаву такий режим досягається при швидкостях впуску до 0,3 м/с, то для розплаву, що знаходиться в твердому стані, він зберігається при швидкостях впуску до 10. 15 м/с.
Зі збільшенням товщини живильника критичні швидкості зменшуються, турбулентність зростає, що збільшує пористість виливків.
При заповненні суцільним спокійним потоком створюються умови для послідовного заповнення прес-форми розплавом та найбільш повного видалення газів з її робочої порожнини, що сприяє зменшенню пористості та газових включень у виливках. Однак реалізувати такерух розплаву і використовувати його практично можна тільки для товстостінних виливків простої конфігурації зі сплавів з широким інтервалом крив кристалізації при лиття в твердорідкому стані.
Заповнення суцільним турбулентним потоком жилих сплавів проводять при швидкостях впуску 0,5. 50 м/с залежно від основи сплаву та розмірів живильника. У даній технології суцільний турбулентний потік розплаву, показаний стрілкою на ризиках 2, інтенсивно захоплює повітря і продукти розкладанні мастильного матеріалу, які залишаються в затверділому виливку. Виливок, отриманий при такому режимі заповнення прес-форми, як правило, містить великі газові пори. Чим вище турбулентність, тим більша пори і нижче межа міцності матеріалу виливки. З цих та інших причин заповнення прес - форм турбулентним потоком із середніми швидкостями впуску практично використовується лише у випадках, коли до якості от- 1Ники пред'являються низькі вимоги.
Малюнок 2 - Схема заповнення прес-форми Суцільним турбулентним потоком (за стрілкою): - удар струменя в стінку; - Товщина виливки; - Товщина струменя; - утворення підпору; - Заповнення форми
Заповнення прес-форми дисперсним потоком відбувається при швидкостях впуску розплаву вище 10. 50 м/с і товщині живильника відповідно 3. 0,25 мм, якщо розплав живильника знаходиться в рідкому стані. При ударі об стінку форми малюнок 3 струмінь дробиться на велику кількість окремих крапель, що утворюють дисперсну систему - суміш з повітрям та продуктами розкладання мастильного матеріалу. Повітряні та газові бульбашки, що залишаються у виливку, утворюють дрібну пористість. Така пористість значно меншою мірою знижує механічні властивості виливки, ніж при режимі заповнення суцільним турбулентним потоком.
Згідногіпотезі JI. С. Константинова поряд з негативною дією гази та повітря, що знаходяться у виливку при затвердінні, надають і позитивний вплив на процес її формування. Тиск у бульбашках повітря та газів при заповненні форми дорівнює тиску в турбулентному потоці, а після закінчення заповнення - тиску на розплав з боку прес-поршня. Так як через невеликий переріз живильник твердне значно швидше, ніж сама виливок, дія тиску прес - поршня на твердіє виливок припиняється порівняно швидко. При цьому гази, укладені всередині виливки і перебувають під тиском, прагнучи розширитися, тиснуть на розплав, що кристалізується, і тим самим сприяють чіткому формуванню рельєфу поверхні виливки, рознесення усадки і зниження ймовірності утворення тріщин.
Малюнок 3 - Схема заповнення прес-форми Дисперсним потоком (цифри - час від початку заповнення прес - форми розплаву в мілісекундах)
Проте, на думку Л.Є. Кисиленко, поблизу пір у металі виливки виникає складний напружений стан, при цьому напруги можуть принести до появи мікротріщин і збільшення транзитної пористості, що різко знижує герметичність виливки.
При заповненні розплавом порожнини форми складної конфігурації реалізація розглянутих раніше механізмів руху розплаву може мати місце на різних етапах заповнення і на різних ділянках форми одночасно: на одних ділянках форми може утворюватися дисперсний потік, на інших - турбулентний. Можливе також утворення та застійних зон, що заповнюються розплавом з малими швидкостями. Таким чином, викладені уявлення про механізми процесу заповнення прес-форми відображають, по суті, лише можливі переважають ні при тому чи іншому режимі фізичні явища та їх впливформування якості виливки.