Косвенные методы исследования характера заполнения форм

Один из косвенных методов экспериментального исследования движения расплавленного металла был предложен В. Брандтом, который применил прессформу со встроенными электрическими контактами (рис. 4, а). По замыканию контактов расплавленным металлом В. Брандт определял время и границы потока на различных стадиях заполнения.

Проведя серию экспериментов с различными сплавами в форме с регулируемой толщиной питателя и отливки, В. Брандт выдвинул следующую теорию заполнения форм: струя металла, выйдя из питателя, расширяется до стенок формы, после чего металл движется сплошным потоком по всему сечению полости без удара о стенку формы, без накопления подпора в конце полости, без завихрений и захвата воздуха (рис. 4, б). Движение металла прекращается одновременно в литниковой системе и форме, сменяясь одновременным затвердеванием.

Рис. 4. Экспериментальные исследования В. Брандта: а — прессформа с электрическими контактами 1, 2, 3, 4, 5 и 6; б — последовательные стадии заполнения

Результаты работ В. Брандта оказались полностью противоположными теоретическим выводам Л. Фроммера. Это объясняется неправильной оценкой экспериментов, сделанной В. Брандтом.  В условиях  заполнения полости  через  толстые питатели при отношении ƒ/F_отл>¼ происходит опережение гидравлического подпора отдельными каплями металла, которые и замыкали контакты 4, 5 и 6 (рис. 4, а). Рассеивание струи при неустановившемся движении металла было истолковано В. Брандтом как расширение потока.

Оценивая теорию В. M. Пляцкого о двух видах впуска, объединяющую теоретические положения Л. Фроммера и В. Брандта, необходимо учитывать, что второй вид впуска, подразумевающий заполнение по В. Брандту, возможен только в тех случаях,  когда отношение ƒ/F_отл приближается к единице.

Это особенно характерно для процесса литья с кристаллизацией под поршневым давлением.

Многие исследователи применяют для изучения характера движения металла метод неполного заполнения. Этот косвенный метод правильно отражает картину заполнения, если толщина питателя h равна или почти равна толщине отливки (рис. 5), а также если скорость потока невелика.

На рис. 5 показаны последовательные стадии заполнения полости при расходящемся потоке, зафиксированные методом неполной заливки. На рис. 5, а и б видно растекание металла в двух направлениях. На стадии в начинается затвердевание, препятствующее растеканию потока и вызывающее наслоение струй жидкого металла на затвердевший участок (стадия г).

Рис. 5. Растекание потока при неполном заполнении формы: а — г — стадии заполнения

Метод неполного заполнения особенно эффективен при изучении влияния стержней и других преград в форме на отклонения потока.

В то же время метод неполного заполнения искажает действительный характер движения металла при тонких питателях и высоких скоростях потока. Оболочка металла, образующаяся на стенках формы при затвердевании отскакивающих капель металла, принимается многими исследователями за растекание потока после удара его о преграду.

В одной из своих ранних работ X. Бартон на основе неполной заливки предложил теорию трех фаз заполнения. Анализируя результаты опытов и теоретические положения Л. Фроммера, В. Брандта, в своих исследованиях X. Бартон не вскрывает подлинных причин расхождений между ними, называя эти расхождения кажущимися.

X. Бартон считает, что процесс заполнения наиболее правильно описан Л. Фроммером, а опыты В. Брандта справедливы лишь для определенных условий, редко встречающихся при обычном литье под давлением. X. Бартон отмечает также, что при заливке, осуществляемой специально по теории В. Брандта, т. е. с увеличенным питателем и под большим давлением, металл просто продавливается в полость формы.

Заполнение форм зависит от совокупности многих переменных факторов, таких как: физические свойства сплава, температура металла и формы, давление на металл, поперечное сечение питателя, расположение литниковой системы, сечение и расположение вентиляционных каналов, объем отливки и площадь проекции ее на плоскость разъема, отношение массы отливки к массе формы, объем камеры прессования и др.

Скорость потока υ не остается постоянной в процессе заполнения, так как υ =√2g p/γ, где давление p изменяется вследствие трения металла в литниковой системе и форме при непрерывно возрастающей вязкости. Скорость потока замедляется также в результате роста противодавления воздуха р_в в форме

X. Бартон считает, что металл имеет склонность затвердевать, соприкасаясь со стенками формы. Металл, находящийся дальше от стенок, сохраняет жидкое состояние и непрерывно опережает затвердевающий слой, а также образует так называемые следы потока (узоры на поверхности отливки).

Основные положения теории о трех фазах заполнения сводятся к следующему.

В первой фазе струя металла, попадая на стенку, противоположную питателю, растекается по поверхности формы, образуя на границах полостей скопление металла с последующим завихрением. При правильном тепловом равновесии формы первоначально образовавшаяся оболочка покрывает всю поверхность полости (рис. 6, а).

Это положение X. Бартона идеализирует процесс заполнения и не соответствует реальному движению потока в форме.

Во второй фазе полость заполняется путем частичного осаждения металла на первоначальную оболочку (рис. 6, б), а в основном путем присоединения турбулентных масс в угловых точках и выемках с постепенным продвижением этих масс (рис. 6, в). Заканчивается вторая фаза полным заполнением формы (рис. 6, г), причем металл имеет по сечению различную вязкость — наиболее жидкий металл находится в середине отливки.

Рис. 6. Образование оболочки (а) и последовательные стадии запол нения (б, в, г) по теории трех фаз X. Бартона

В третьей фазе полость формы, литниковой системы и камеры сжатия представляют собой замкнутую гидравлическую систему, в которой давление выравнивается. 20

В двух первых фазах давление требуется лишь такое, какое нужно для создания скорости, достаточной для сплавления продвигающейся массы металла с первоначально образовавшейся пленкой.

В третьей фазе требуется большое давление, чтобы снизить напряжения, образующиеся вследствие неравномерного остывания.

Первая фаза определяет качество поверхности отливки, вторая — твердость ее, а третья — прочность.

X. Бартон рассматривает состояние жидкого потока в первой и второй фазах. Согласно теории пограничного слоя Л. Прандтля, вязкость в потоке проявляется вблизи поверхности. В поверхностном слое скорость меняется по толщине очень быстро: от нуля у стенок до максимальной на границе этого слоя.

Вне пограничного слоя скорость потока по сечению почти постоянна.

Предположим, что поток движется по плите. Представим его состоящим из бесконечно тонких слоев 1, 2, 3, 4, 5, 6, которые перемещаются друг относительно друга со скоростями υi (рис. 7).

Тогда за время τ каждый слой должен пройти путь si, пропорциональный величине скорости.

В действительности значительного обгона не происходит. Вследствие разницы скоростей на передних краях слоев создается вращающий момент, который уменьшает общую скорость движения потока.

Скорость соседнего слоя

υ_i+1=υ_i+ s_i/τ

Происходит как бы вращение переднего края потока, создающее усилие R, пропорциональное сдвигающим усилиям и направленное под прямым углом к поверхности (рис. 7, а). Это усилие прижимает поток к поверхности.

Если температура стенки меньше температуры потока t_фпот, то возникает отдача тепла, вызывающая образование у поверхности тонкой пленки твердого металла.

Утолщению затвердевшего слоя противодействует теплопередача от жидкого металла, движущегося по пленке. (Этому способствует также то, что теплопроводность цветных сплавов в два раза больше теплопроводности стали). X. Бартон отмечает также возможность выделения скрытой теплоты затвердевания и перехода кинетической энергии в тепловую при остановке потока.

Когда поток достигнет дальних участков полости формы, сдвигающие усилия увеличиваются, а скорость уменьшается. В местах поворота потока и на более холодных участках формы толщина пленки растет, что приводит к смыванию пленки и попаданию ее в турбулентный поток (рис. 7, б и в).

Рис. 7. Течение металла вдоль поверхности формы по X. Бартону: а — опережение затвердевшего слоя; б и в — смыв затвердевшей корочки

Воздух, проникающий под первоначально образовавшуюся пленку, обычно удаляется под действием преобладающего гидравлического давления после заполнения полости. Воздух может оставаться в оболочке в виде пузырьков.

Описанные выше явления происходят в первой фазе. Во второй фазе металл течет по осажденному слою, препятствующему увеличению вязкости. Создаются благоприятные условия для турбулентного потока, особенно если струя падает на противоположную стенку. В этом случае в месте удара образуется турбулентная масса, наполняющая конец полости. Если давление, а следовательно, и скорость при ударе невелики, то турбулентная масса быстро становится вязкой, а воздух остается в отливке в виде больших пузырей.

К такому же результату приводит недостаточное количество вентиляционных каналов, создающее противодавление, так как давление потока будет равно разности литейного давления и давления в полости формы:

P_пот = Р_пр — Р_ф

Увеличение давления и скорости потока благоприятно действуют на структуру отливки. Воздух успевает частично выйти из формы или разбивается на очень мелкие пузырьки.

Исследуя заполняемость прямоугольных полостей методом неполной заливки, H. Кайма и И. Ичида пришли к выводу, что ширина литника мало влияет на характер движения металла в форме, причем при отношении ƒ/F_отл>½ характер потока не зависит от длины полости. H. Кайма и И. Ичида установили, что теоретические положения Л. Фроммера неприемлемы для сравнительно тонкостенных отливок с толщиной стенки менее 3 мм.

Оригинальный косвенный метод изучения характера движения металла после удара о стенку формы предложили С. Сакуи и Г. Онада, которые добавили радиоактивный изотоп в смазку. Они установили наличие отскакивания отдельных капель металла в процессе заполнения.