Направленное и одновременное затвердевание отливок

Что такое одновременная и направленная кристаллизация отливок; каким образом она достигается?

Для уменьшения влияния на качество отливки усадочных концентрированных раковин применяют два способа:

а) одновременное затвердевание,

б) направленное затвердевание.

Одновременное затвердевание - это одновременная и равномерная кристаллизация расплава во всех частях отливки, что обеспечивается определенными условиями. Приближенно эти условия можно считать выполненными, если толщина отливки во всех ее точках неизменна или изменяется равномерно. Наилучшим образом соблюдаются эти условия при возможно меньшей толщине стенки.

При направленном затвердевании кристаллизация отливки происходит последовательно в направлении противопо-ложном вектору отвода тепла и источнику питания жидким сплавом. При направленном затвердевании отливка получается наиболее плотной, без концентрированных раковин, которые выводятся в прибыль.

Направленное затвердевание можно осуществить несколькими путями:

а) охлаждением нижней части формы или нагревом прибыли;

б) конструкцией отливки, имеющей с постепенно увеличивающейся толщиной в направлении к прибы-ли;

в) подводом расплавленного металла под прибыль.

Направленное затвердевание

Для отливки деталей из сплавов с пониженными литейными качествами применяют способ направленного затвердевания. Стенкам придают сечения, прогрессивно увеличивающиеся кверху. Затвердевание идет снизу вверх; нижние сечения по мере затвердевания питаются жидким металлом из расположенных выше сечений; верхние сечения, застывающие в последню очередь, питаются из массивных прибылей, располагаемых сверху отливки. Поперечные стенки делают наклонными, расширяющимися кверху, и соединяют со смежными стенками плавными галтелями. Усадочная раковина сосредоточивается в прибыли. В прибыль уходят неметаллические включения, шлаки, плены, засоры.

Последовательное перемещение горизонта затвердевания обеспечивает правильную усадку вертикальных стенок. Однако разность температур в вертикальном направлении остается. Нижние горизонтальные элементы отливки, затвердевающие раньше, тормозят усадку верхних элементов, в результате чего в них развиваются напряжения растяжения, а в нижних - напряжения сжатия. Наибольшие усадочные напряжения возникают в верхней части отливки вследствие большой разности сечений прибылей и стенок отливки.

Недостатки способа направленного затвердевания:

- утяжеление отливки в результате расширения стенок кверху (недостаток, особенно выраженный у отливок большой высоты);

- увеличенный расход металла;

- усложнение формовки из-за наличия прибылей;

- затруднительность удаления прибылей.

Способ направленного затвердевания применяют преимущественно для стальных отливок, притом в тех случаях, когда масса детали не имеет большого значения. Этим способом отливают (в горизонтальном положении) детали дискового типа небольшой высоты (колеса, диафрагмы и др.). Для таких деталей принцип направленного затвердевания сводится к утолщению стенок, приданию дискам конической формы и увеличению галтелей на участках сопряжений.

Для деталей сложной коробчатой формы предпочтителен способ одновременного затвердевания.

Одновременное затвердевание

При проектировании отливок по принципу одновременною затвердевания нужно придерживаться следующих правил:

1) стенки отливки должны иметь по возможности равномерную толщину;

2) элементам отливки, остывающим в условиях пониженной теплоотдачи (внутренние стенки), следует для ускорения затвердевания уменьшать сечения;

3) переходы между стенками различной толщины должны быть плавными;

4) стенки отливки не должны иметь резких переходов; при изменении направления стенки должны быть соединены плавными переходами;

5) нужно избегать местных скоплений металла и массивов;

6) участки соединения стенок с массивами целесообразно выполнять с пологим утолщением по направлению к массивам или усиливать ребрами.

Целесообразно увеличивать податливость отливки в направлении усадочных деформаций путем придания стенкам сводчатых форм, введения тепловых буферов и др.

Технологически равномерность остывания обеспечивают активным управлением скоростью охлаждения. Массивные отливки, а также участки с ухудшенным теплоотводом охлаждают с помощью металлических холодильников, вставок из теплопроводных формовочных составов (смеси с хромистым железняком, магнезитом и др.).

Образование усадочных раковин и пористости в массивных участках предупреждают питанием поздно застывающих узлов жидким металлом (установка питающих бобышек, дополнительных литников и выпоров, введение прибылей).

Торможение усадки внутренними элементами формы устраняют, применяя податливые формовочные смеси, пористые, ячеистые и полые стержни.

Остаточные напряжения устраняют стабилизирующей термической обработкой. Чугунные отливки подвергают искусственному старению (выдержка 5 - 6 ч при 500-550°С с последующим медленным охлаждением в печи). Перед старением производят обдирку отливок. Окончательную механическую обработку производят после старения.

Детали, подвергнутые искусственному старению, практически не меняют своих размеров в эксплуатации.

Эффективный способ устранения внутренних напряжений, а также общего повышения качества отливки состоит в контролируемом охлаждении отливки. Металл заливают в подогретые формы. После затвердевания (точка солидуса) форму медленно охлаждают, давая выдержки при температурах фазовых превращений, когда происходят наибольшие изменения объема, а также при температурах перехода из пластического состояния в упругое.

Этот способ устраняет первоисточник усадочных напряжений, так как в каждый данный момент температура всех частей отливок одинакова. Напряжения, обусловленные торможением формы, предотвращают, применяя податливые стержни.

Нагревом формы перед завивкой удаляется из формовочной смеси влага, пары и газы, которые при заливке в холодные формы вызывают паровые и газовые раковины и пористость.

Стоимость такою процесса немногим превышает стоимость литья обычным способом с последующей стабилизирующей термообработкой.