Заполнение формы дисперсным потоком

На рис. 32 изображены отдельные кадры заполнения и кристаллизации прямоугольной отливки размером 85х40х10 мм при скорости  впуска  35 м/сек и давлении  50 Мн/м2 (500 кГ/см2).

В форму, которая в данном случае не подогревалась и не смазывалась, заливался алюминиевый сплав АЛ2 при температуре 630°С.

После удара о стенку формы образуется дисперсный поток, направленный в сторону питателя и представляющий беспорядочное движение раздробленных (дисперсных) капель металла в воздухе.

Через 0,03 сек наступает момент «мнимого заполнения», сопровождающийся объединением отдельных капель металла и созданием жидкой дисперсионной среды, наполненной мелко раздробленными (дисперсными) включениями воздуха.

При плохом подогреве формы часть капель металла намерзает на стенки формы, образуя оболочку, препятствующую выходу воздуха через плоскость разъема.

После мнимого заполнения струя продолжает проходить через смесь металла с воздухом, уплотняя ее до тех пор, пока не окончится сжатие воздуха в порах между каплями металла. Форма полностью заполнится спустя 0,07 сек после начала впуска, причем воздух остается в металле в виде мелко раздробленных включений, равномерно рассеянных по всему сечению отливки, в том числе и около поверхности. Так как воздух в порах сжат под большим давлением, то при нагреве в процессе термической обработки наблюдается вздутие пузырьков по всей поверхности отливки.

Скоростные киносъемки и количественный анализ газов методом вакуумной экстракции показали, что пористость возрастает по длине отливки в направлении от дальнего участка к питателю. Это объясняется вытеснением воздуха в свободное пространство полости формы при заполнении дисперсным потоком.

Таким образом, при дисперсном заполнении воздушная пористость становится неизбежной. Выделение газов, растворенных в металле, в условиях раздробленности потока и высокой скорости кристаллизации, значительно снижается и практически может не учитываться.

На рис. 32 зафиксировано расширение струи после «мнимого заполнения», которое вызвано трением входного металла о капли металла в дисперсном потоке. Эффект расширения впускной струи аналогичен движению затопленной струи и сопровождается изменением расхода в поперечном сечении. В то же время скорость впуска может оставаться почти постоянной до момента полного объединения отдельных капель металла и сжатия воздушных включений.

Последние три кадра на рис. 32 показывают затвердевание отливки после заполнения и допрессовки, которое идет от стенок к центру, причем скорость кристаллизации у стенок значительно выше, чем в середине отливки. Средняя скорость кристаллизации для данной отливки составляет около 80°С в секунду. Рис. 32. Дисперсное заполнение и кристаллизация прямоугольной отливки

Теоретическая схема дисперсного заполнения при правильном подогреве формы представлена на рис. 33 (Ниже приведена разница между температурами заливаемого сплава и стенками формы в начале заполнения для различных сплавов: свинцово-оловянистых 200—300°С, цинковых 250—300°С, алюминиевых и магниевых 350-450° С, медных 550—650° С.). 

Дисперсное заполнение начинается при скоростях впуска более 25 м/сек, если отношение ƒ/F_отл<⅓ и форма заливается жидким металлом.

С увеличением отношения ƒ/F_отл область чистого дисперсного заполнения сдвигается до 40 м/сек.

Критическую скорость начала дисперсного заполнения υ_кр(д) можно определить, пользуясь полуэмпирической формулой:

где К_отл — коэффициент сложности конфигурации отливки, равный 3,05·10³ для отливок  типа пластин,  2,75·10³ — для отливок коробчатого типа, 2,55·10³ — для отливок очень сложной конфигурации; t_ф - температура стенок формы в °С; t_зал - температура заливаемого сплава в °С; v₀ - кинематическая вязкость сплава при  температуре, близкой к температуре ликвидуса, в м2/сек.

Например, для сложной фасонной отливки из алюминиевого сплава АЛ2 (v₀ = 0,5·10^-6 м2/сек) со средней толщиной стенки H = 3 мм при отношении h/H=¼ и t_ф = 200° С; а t_зал = 630° С критическая скорость впуска, определяющая начало дисперсного заполнения, равна

На рис. 34 даны зависимости критической скорости начала дисперсного заполнения υкp(d) отношения — пропорционального отношению ƒ/Fотл. Кривые построены при заполнении отливки сложной конфигурации, имеющей среднюю толщину стенки 3 мм, цинковыми (кривая 1), алюминиевыми или магниевыми (кривая 2) и медными (кривая 3) сплавами. Анализ графических зависимостей на рис. 34 показывает, что с увеличением толщины питателя h и отношения h/H критические скорости дисперсного заполнения резко возрастают. Так как высокие скорости впуска вызывают быстрое разрушение поверхности формы в месте удара струи, рекомендуется работать в диапазоне отношения  h/H=⅓÷1/8. Рис. 34. Изменение критических скоростей дисперсного заполнения в зависимости от отношения для различных сплавов: А  — рекомендуемый диапазон отношения h/H

Дисперсное заполнение применяется при изготовлении тонкостенных отливок сложной конфигурации. Высокие скорости впуска струи, несущей большой запас кинетической энергии, позволяют получать четко оформленные изделия с чистой поверхностью. Кроме этого, при движении с высокой скоростью в тонком питателе наблюдается некоторый разогрев металла, который повышает его жидкотекучесть и улучшает заполняемость тонких сечений отливок. В условиях раздробления струи выгоднее применять как можно более высокие значения скоростей впуска.

При одном и том же количестве воздуха, оставшегося в отливке, размеры пор и распределение их по сечению могут быть разные.

Чем выше скорость впуска, тем мельче капли металла, образующиеся при ударе струи о преграду, и тем меньше его содержится в смеси с воздухом в первоначальный момент заполнения. После «мнимого» заполнения воздух распределяется между каплями металла в виде очень мелкой дисперсной пористости.

При скоростях впуска свыше 100—120 м/сек воздушная пористость становится незаметной для глаза. Повышение давления в момент окончания заполнения также вызывает уменьшение размеров пор, поскольку газы в порах сжимаются. Мелко раздробленная пористость повышает механические свойства отливок и их герметичность по сравнению с отливками, имеющими крупную пористость.

В то же время высокие скорости впуска приводят к эрозии поверхности и к прилипанию металла в месте удара струи. Поэтому, если для цинковых сплавов рекомендуются скорости впуска свыше 100 м/сек, для магниевых сплавов 50—75 м/сек, то для алюминиевых сплавов скорость впуска не должна превышать 50 м/сек.

Количество воздушной пористости зависит от условий образования твердой корочки металла на стенках формы. Если форма  подогрета достаточно, например до 180—220°С для алюминиевых сплавов, то образовавшаяся оболочка может вновь расплавиться, в результате появится возможность выхода воздушных включений, лежащих вблизи поверхности отливки. В холодной форме оболочка затвердевшего металла увеличивает свою толщину в процессе заполнения и не расплавляется, вследствие чего в отливках наблюдается максимальное содержание воздушной пористости.

Заполнение полости формы сложной конфигурации происходит так же, как и заполнение прямоугольной отливки, поскольку дисперсная смесь металла с воздухом, возникая в месте удара струи о преграду, равномерно распространяется по различным сечениям (рис. 35). Этим объясняется тот факт, что при высоких скоростях впуска происходит равномерное заполнение форм тонкостенных отливок сложной конфигурации. Рис. 35. Заполнение коробчатой отливки дисперсным потоком

Если наряду с тонкими сечениями отливка имеет более толстые, то равномерность заполнения нарушается. В утолщенных местах происходит накопление жидкого металла и образование гидравлического подпора, на поверхности которого захватываются крупные воздушные включения.

Поэтому при разработке чертежа литой детали сложной конфигурации, предназначаемой для литья под давлением, необходимо строго соблюдать основной принцип конструирования отливок— принцип равностенности.

С уменьшением скорости впуска ниже критического значения в зоне скоростей 15—30 м/сек процесс заполнения протекает по двум совмещенным схемам, т. е. в полости формы образуется и дисперсная смесь капель металла с воздухом, и в то же время происходит движение гидравлического подпора от места удара к питателю.

На рис. 36 представлена теоретическая схема смешанного заполнения отливки с промывником жидким алюминиевым сплавом при скорости впуска 20 м/сек и достаточном подогреве стенок формы.

При смешанном заполнении создаются самые невыгодные условия для получения высококачественной отливки, так как затрудняется вынос пузырьков воздуха по потоку и удаление его из дисперсной смеси с металлом через вентиляционные каналы.