Объемные газовые раковины

Объемные газовые раковины представляют собой распределенные по объему отливки округлые пустоты, имеющие, как правило, неокисленную поверхность. Эти дефекты могут возникать как по вине газов, выделяющихся из расплава при его затвердевании, так и за счет проникновения в расплав газов, выделяющихся при прогреве формы.

Для проникновения газа из капилляров формы в жидкий расплав необходимо, чтобы давление газа на границе «отливка - форма» Pг удовлетворяло следующему условию (рис. 6.11):

где Pвн - внешнее избыточное давление в полости формы над расплавом;

Pп - давление газа, необходимое для прохождения им границы раздела «металл - форма»;

Pм - гидростатическое давление жидкого сплава, pgH = Pм.

При достаточной газопроницаемости смеси и наличии выпоров и прибылей внешнее давление Рвн невелико (не более 0,3 кПа). Однако при переуплотнении формы и отсутствии выпоров и прибылей оно может достигать 2 кПа. Для проникновения в жидкий расплав газа из капилляра с радиусом r необходимо преодолеть капиллярное давление в образующемся пузыре:

где о - поверхностное натяжение расплава;

r - радиус капилляра, образованного порами смеси;

0 - краевой угол смачивания (см. рис. 6.11).

Для жидкого чугуна Pп = 10кПа. После образования на поверхности отливки твердой корки Pп быстро увеличивается, стремясь к бесконечности.

В процессе заливки уровень сплава в форме H повышается. Поэтому гидростатическое давление расплава Pм в процессе заливки растет и при постоянной скорости подъема сплава в форме v изменяется в соответствии с формулой Pм = pgvt.

На рис. 6.12 приведены кривые изменения давления на границе «металл - форма»: Pг, Рм, Pп, Pвн и Ре = Pм + Pп + Pвн. Видно, что условие (6.18) выполняется в интервале времени t1 < t < t2. Продолжительность времени tв = t2-t1 называют длительностью вскипа. В зависимости от tв различают слабые вскипы (tв составляет 0,5-3 с) и сильные вскипы (tв до 50 с). Слабые вскипы характеризуются проникновением одиночных пузырей. Обычно они возникают в процессе заливки и до ее конца успевают выделиться из расплава. Тогда газовых раковин в отливках нет.


При большой длительности вскипа и значительной разнице между Pг и могут возникать выбросы металла. В этом случае пузырей настолько много, что они сливаются вместе, образуя сплошную газовую рубашку. На рис. 6.12, б приведен пример, когда вскип отсутствует (Pг << РЕ). На рис. 6.12, а и б показаны условия заливки форм при разной продолжительности заливки tзал1 и tзал2. Из графиков видно, что если время заливки равно tзал2 (быстрая заливка), то в отливке будут газовые раковины, так как газы проникают в этом случае в сплав и после заполнения формы (t2 > tзал2, см. рис. 6.12, б). При tзал1 > t2 (см. рис. 6.12, а) газовые раковины в отливках могут отсутствовать, если за время tзал1 - t2 газы успевают всплыть и выделиться из расплава.

Для борьбы с газовыми раковинами необходимо принимать меры, снижающие Pг (увеличивать газопроницаемость и улучшать вентиляцию форм и стержней, повышать пористость форм, уменьшать длину фильтрационных путей и газотворность форм, увеличивать сечение газового потока в стержне или форме S и т. д.) и повышающие PЕ.

С точки зрения влияния режима заполнения формы необходимо, чтобы скорость заполнения формы обеспечивала нормальный отвод газов, образующихся в стержнях и стенках формы. Для предотвращения образования газовых раковин необходимо, чтобы выполнялось условие

где t2 - время окончания вскипа в наиболее опасной с этой точки зрения

зоне формы;

tпуз - время всплывания пузыря.

Как следует из вышеизложенного, с уменьшением скорости заливки снижается Pг и уменьшается t2, что благоприятно сказывается на качестве отливок. Чтобы исключить возможность проникновения газов в расплав, необходимо участки формы с наибольшим количеством стержней заполнять как можно медленнее. После закрытия сплавом поверхности стержней скорость следует повысить, так как это приведет к увеличению h и правой части условия (6.21).

На рис. 6.13 приведены изменения максимумов давлений Pг и РЕ = Pп + Pвн + уh в зависимости от положения рассматриваемых точек на поверхности стержня. Из рисунка видно, что условие Pг > PЕ выполняется между точками В и З. Повышение Pг при переходе от А к Г и от И к Е объясняется увеличением длины фильтрации. Таким образом, опасными с точки зрения вскипов являются части поверхности стержня и формы, наиболее удаленные от нижней поверхности полости формы. Строгие аналитические методы определения tmin в настоящее время не разработаны.

В заключение отметим большое влияние вентиляции формы на ее заполняемость сплавом. При плохой вентиляции формы в процессе заливки происходит значительное увеличение давления газа над зеркалом расплава. Это приводит к снижению расхода металла (us уменьшается), что может вызвать появление спаев и недоливов в отливках.

В.С. Серебро принимает, что для исключения проникновения газов в расплав необходимо выполнение условия Pг < nPдоп, где Pдоп - допустимое давление газа в стержне; п - коэффициент запаса. С учетом формул (6.20) и (6.21) он получил следующие критерии, определяющие условия, которые исключают проникновение газа в расплав:

• для горизонтально расположенного стержня

• для вертикального стержня

Величину допустимого давления Рдоп В.С. Серебро приравнивает к гидростатическому давлению Pм = рgh. С учетом этого критерии, определяемые формулами (6.24) и (6.25), принимают вид

Формулы (6.26) и (6.27) можно в первом приближении использовать для определения технологических параметров, исключающих проникновение газа в расплав. Приведем примеры.

Пример 1. Каково должно быть значение газопроницаемости песчано-смоляной смеси (I0 = 1,56 м3/(м3 * с)), если стержень длиной 2l = 100 мм используется для получения горизонтального отверстия в чугунной отливке (р = 7000 кг/ м3) при заглублении стержня h = 25 мм?

Приняв n = 1, из формулы (6.26) находим

Пример 2. С какой скоростью можно заливать отливку, рассмотренную в предыдущем примере, если в ней имеется вертикальное отверстие и ГS = 0,028 м3/кг?

При n = 1 из формулы (6.27) получаем

Проникновение газов в расплав не обязательно приводит к образованию газовых раковин, так как при соответствующих условиях они могут выделиться из расплава до его затвердевания. Из практики известно, что мощным средством борьбы с газовыми раковинами является повышение температуры заливки, так как при этом увеличивается продолжительность затвердевания отливки и снижается вязкость газа.

П.П. Берг различает объемные и поверхностные газовые раковины. Поверхностные газовые раковины расположены в верхних, подкорковых слоях отливки и имеют вид взрывных камер (рис. 6.14).

Образование поверхностных газовых раковин вызвано резким возрастанием давления газов в момент, когда образуется твердая корка и увеличивается вязкость сплава. Твердая корка прорывается газом, а газовый пузырь, проникший в расплав, не может всплыть. Эти раковины образуются в зоне второго максимума (вторичный вскип).

Повышение давления может быть вызвано, например, выделением конституционной влаги при нагреве смеси. Поэтому одним из способов борьбы с поверхностными раковинами является снижение содержания глины в смеси.