Дефекты в виде складок и меры профилактики для отливок из высокопрочного чугуна, изготовленных методом литья по выплавляемым моделям.
1. Образование и предотвращение дефектов в виде складок на отливках из высокопрочного чугуна.
Морщинистые дефекты часто появляются в последнем месте, где течет расплавленный металл, или на «холодном конце» потока жидкости, обычно в верхней части отливки, на вертикальных боковых стенках или в тупиковых углах. Поверхность такого типа дефекта часто покрыта светлыми и блестящими хлопьями углерода, а углубление дефекта заполнено сажевым углеродом. По внешнему виду можно выделить четыре типа морщинистых дефектов: гофрированные, дендритные, капельные и шлаковые включения.
1. Механизм образования
Дефекты в виде складок в основном вызваны интенсивным сгоранием материала модели при высокой температуре и осаждением большого количества свободного углерода в кислородной среде. Из-за большой разницы в плотности между расплавленным металлом и свободным углеродом, свободный углерод всплывает на поверхность расплавленного металла при высокой температуре или накапливается в застойных зонах и не удаляется вовремя в процессе затвердевания.
2. Влияющие факторы
(1) Материал для формования из пенопластика: EPS (вспененный полистирол) с большей вероятностью образует складки, чем EPMMA (вспененный полиметилметакрилат) и STMMA (сополимерная смола стирола и метилметакрилата), поскольку EPS имеет более высокое содержание углерода, чем последние два. EPS содержит 92% углерода, STMMA — 69.6% углерода, а EPMMA — 60.0% углерода. Кроме того, чем выше плотность формы, тем больше жидких продуктов остается после разложения, и тем выше вероятность образования складок.
(2) Влияние химического состава отливок: В низкоуглеродистых чугунных деталях углерод из продуктов разложения формы может частично растворяться в них, и складки образуются с трудом; в высокоуглеродистых чугунных деталях (отливках из высокопрочного чугуна) образование складок наиболее вероятно. Это связано с тем, что при температуре заливки отливок из высокопрочного чугуна пенообразная модель газифицируется, образуя большое количество углеродсодержащего газа, и около 50% веса модели осаждается расщепленным углеродом. Кроме того, углеродный эквивалент и содержание углерода в самих отливках из высокопрочного чугуна относительно высоки, поэтому эти углеродсодержащие компоненты высвобождаются на поверхность отливки или на фронт потока расплавленного чугуна, образуя таким образом складки.
(3) Влияние системы заливки: Система заливки и подъёмника оказывает значительное влияние на поле потока и температурное поле жидкого железа, заполняющего форму, и напрямую определяет продукты пиролиза материала формы и направление его потока. Увеличение площади поперечного сечения вертикальных, горизонтальных и внутренних литников легко приводит к образованию складок (увеличение количества материала формы). Вероятность образования складок при верхней заливке ниже, чем при нижней, поэтому установка верхнего подъёмника способствует уменьшению количества складок.
(4) Влияние структуры отливки: Чем меньше отношение объема к площади поверхности отливки, то есть чем меньше модуль упругости, тем больше это способствует удалению продуктов пиролиза модели и тем меньше склонность к образованию складчатых дефектов.
(5) Влияние температуры заливки: Температура заливки влияет не только на тип продуктов пиролиза материала модели, но и на скорость заполнения расплавленным металлом. Когда температура заливки ниже определенной критической температуры, преобладают жидкие продукты пиролиза материала модели, и скорость заполнения увеличивается с повышением температуры заливки; когда температура заливки выше определенной критической температуры, продуктами пиролиза являются в основном газообразные продукты, и скорость заполнения уменьшается с повышением температуры заливки.
(6) Влияние проницаемости слоя покрытия и формовочного песка: Чем выше проницаемость формовочного песка, тем больше он способствует удалению продуктов пиролиза модели и тем меньше склонность к образованию складок. Чем тоньше покрытие и чем крупнее размер частиц заполнителя покрытия и формовочного песка, тем больше он способствует удалению и уменьшению дефектов в виде складок.
(7) Влияние отрицательного давления: Увеличение вакуума при заливке чугуна способствует отводу дыма и газов, тем самым улучшая условия газификации пенопласта, и способствует быстрому заполнению формы расплавленным металлом, что приводит к выходу остатков и газов. Однако слишком высокий вакуум может привести к дефектам, связанным с прилипанием песка.
(8) Влияние координации процесса: В зависимости от размера отливки скорость заливки должна контролироваться должным образом, а степень вакуума должна быть скоординирована. Если координация недостаточна, то при увеличении скорости заливки струя становится толще, а степень вакуума не увеличивается соответственно, что часто приводит к образованию складок.
3. Профилактические меры
В течение всего процесса заливки следует избегать плавления и сгорания пенопласта, чтобы предотвратить образование высокотемпературных продуктов его разложения. Предполагается, что при контакте с высокотемпературным металлом он уменьшится в объеме и немедленно превратится в газ, вытекая из формы подобно сублимации. Это эффективный способ устранения складок на чугунных деталях.
(1) Выбор подходящих пенопластов для литья: Учитывая высокое содержание углерода в отливках из высокопрочного чугуна, склонного к образованию складок, выбираются материалы для форм из пенопласта низкой плотности, например, сополимеры EPMMA.
(2) Повышение температуры и скорости заливки: Повышение температуры заливки может уменьшить дефекты в виде складок. Поскольку температуру необходимо снизить на 50–100 ℃ в процессе сфероидизации, для обеспечения необходимой температуры заливки расплавленный чугун должен иметь гораздо более высокую температуру разливки, чем обычный серый чугун, не менее 1500 ℃.
Ускорение скорости заливки (основанное на принципе обеспечения плавного потока расплавленного металла) позволяет компенсировать тепловые потери, связанные с горением и газификацией пенопласта в литейной форме, и обеспечивает достаточное количество тепловой энергии для газификации пенопласта, тем самым улучшая условия газификации, что способствует быстрому заполнению литейной формы расплавленным металлом и облегчает вытекание остатков и газов.
(3) Увеличение количества откачиваемого воздуха и степени вакуума в литейной форме: Практика показала, что увеличение отрицательного давления в литейной форме способствует уменьшению или устранению дефектов в виде складок. Поскольку чем выше отрицательное давление, тем быстрее скорость заполнения, тем короче время заливки, в результате чего продукт в жидкой фазе с низкой вязкостью не успевает превратиться в продукт разложения в жидкой фазе с высокой вязкостью, и уменьшается появление блестящего углерода; чем выше отрицательное давление, тем больше продуктов пиролиза формы поглощается и выводится в формовочный песок через слой покрытия, что способствует уменьшению дефектов в виде складок. Рекомендуемый уровень контроля вакуума: -0.06~-0.09 МПа.
(4) Выберите подходящую систему заливки: В зависимости от характеристик газификации пенопластиковой модели в форме, метод заливки при литье по выплавляемым моделям можно выбрать из следующих вариантов: заливка снизу, ступенчатая заливка, заливка сверху и заливка дождем. Однако следует отметить, что поток жидкого металла должен быть стабильным и быстро заполнять форму.
(5) Улучшение проницаемости формы: Хорошая проницаемость формы является важным условием для получения высококачественных отливок из пенопласта, полученных методом вакуумного литья по выплавляемым моделям. Практика показала, что основным способом улучшения проницаемости формы является использование крупнозернистого песка, увеличение объема откачки воздуха и степени вакуума во время заливки, а также выбор разумных покрытий и толщины покрытия.
(6) Другие: Использовать легко газифицируемое связующее для моделей EPS. В покрытие добавляют небольшое количество криолита (Na3AlF6) для образования высокоактивных NaF, AlF3 и т. д. при высокой температуре. Эти высокоактивные вещества могут адсорбировать углерод, разлагаемый моделью, предотвращая его осаждение на поверхности отливки и тем самым устраняя дефекты в виде складок. Кроме того, добавление определенного количества перманганата калия в покрытие может уменьшить дефекты в виде складок на отливках из высокопрочного чугуна и обеспечить качество внешнего вида отливок.
