Заполняемость обусловлена рядом факторов:
1. поверхностным натяжением сплава и смачиваемостью формы;
2. вязкостью сплава, связанной с его теплофизическими свойствами;
3. температурным интервалом кристаллизации;
4. формой и размерами первичных кристаллов;
5. склонностью сплава к пленообразованию;
6. теплофизическими свойствами формы;
7. способом заливки металла (стационарный или центробежный);
8. конструктивными особенностями литниковой системы;
9. наличием газов в форме и условиями ее вентиляции.
На примере титана модно оценить влияние смачивания формы металлом на заполняемость. Угол смачивания титаном электрокорунды составляет 120 oС, а в магнезите - 107 oС. заполняемость корундовой формы для изготовления пластины толщиной 9 мм значительно хуже, чем магнезитовой.
При заполнении каналов с малой площадью поперечного сечения потку производится преодолеть значительное давление, обусловленное действием капиллярных сил. При незначительном удалении таких элементов от оси вращения необходима большая скорость вращения центробежного стола.
Характер затвердевания. Характер затвердевания металлов и сплавов определяет особенность перехода металла из жидкого состояния в твердое.
В процессе затвердевания реальной отливки в сплаве, кристаллизующемся в интервале температур, всегда так называемая область затвердевания. Эта область ограничена изотермами ликвидус и солидус, которые в процессе охлаждения отливки последовательно перемещаются от ее поверхности к термическому центру.
Область затвердевания делиться на две части - жидко-твердую и твердо-жидкую.
Жидко-тверда часть примыкает к изотерме ликвидус, твердо-жидкая - к изотерме солидус. Граница между ними носит несколько названий: выливаемости, нулевой жидкотекучести, начала линейной усадки. Положение этой граници связано с формой и размерами первичных кристаллов. При сильной развитой дендритной форме мелких кристаллов - к границе солидус.
Твердо-жидкая часть области затвердевания делится на две зоны границей питания. Между границей выливаемости и границей питания сросшиеся дендриты не препятствуют макроперемещениям жидкости. Между границами питания и солидус каркас дендритов образует изолированные области, внутри которых возможно только микроскопическое перемещение жидкости.
Параметры области затвердевания во многом определяют качество отливок, которое оценивается по заполнению линейной формы, развитию усадочных дефектов, по вероятности появления трещин, по формированию литой поверхности. Последнее особенно важно для художественного литья.
Математически строгий анализ процесса затвердевания отливки основывается на решении задачи, известной как задача Стефана, в которой рассматривается процесс промерзания влажного грунта. Решение этой задачи приводит к так называемому закону квадратного корня.
х = k √ ч,
где х - расстояние от изотермы затвердевания до поверхности отливки (толщина твердой корки); ч - время; k - коэффициент затвердевания.
Затвердевание металла является прежде всего тепловым процессом. Его развитие определяется в основном тем количеством теплоты, в которое освобождается при переходе металла из жидкого состояния в твердое и условиями отвода теплоты из области затвердевания, что от совокупности теплофизических свойств металла и форм.
Теплофизические свойства сплавов определяются теплотой затвердевания, теплоемкостью, теплопроводностью и плотностью. Причем для процесса затвердевания наиболее значима теплота затвердевания.
Критерием интенсивности теплоотвода служит коэффициент теплоаккумулирующей способности формы.
b = √ λ ср,
где, λ - теплопроводность; с - удельная теплоемкость; р - плотность.
Большое значение для развития процесса затвердевания имеет зазор, образующийся между отливкой и формой, так как он является звеном, передающим теплоту от отливки к форме.
Характер формирования литой поверхности. Под характером формирования литой поверхности металлов и сплавов подразумевают их способность воспроизводить профиль поверхности формы (шероховатость, механический пригар), склонность к образованию макронеровностей (спаи), склонность к химическому взаимодействию с формой (химический пригар).
Формирование литой поверхности определяется условиями взаимодействия расплава с материалом литейной формы. эти условия зависят от целого комплекса факторов: от теплофизических свойств металла и формы, их химического состава, гидродинамики потока во время заполнения форм, от изменения физико-химических свойств металла и формы с изменением температуры.
Качество поверхности художественной отливки во многом определяет эстетическую ценность изделия. Важное значение имеет отражательная способность поверхности, обрабатываемость (шлифуемость и полируемость), взаимодействие с различными реагентами при патинировании.
Немаловажна и себестоимость изделия. Приходится искать технологические решения, позволяющие сочетать умеренные затраты на изготовление отливки с высоким качеством поверхности.
В машиностроении к качеству литой поверхности предъявляются другие требования, обеспечивающие высокие механические свойства, химическую стойкость, низкие гидравлические потери, обрабатываемость литой детали и др.
Шероховатость поверхности характеризуется средним арифметическим отклонением измеренного профиля от его средний линии Ra и высотой неровностей Rz определяемой как расстояние между пятью высшими точками и пятью низшими точками, находящимися в пределах базовой длины (ГОСТ 2789-73).
Шероховатость отливки непосредственно зависит от шероховатости поверхности формы. Чем крупнее зерна формовочного материала, тем больше шероховатость поверхности отливки.
Формирование профиля литой поверхности определяется двумя факторами - смачиваемостью формы металлом и условиями теплоотвода на границе "металл-форма" в начальный период затвердевания отливки. Смачиваемость оценивают по краевому углу смачивания, интенсивность теплоотвода - по температуропроводности (м2/с) формовочного материала а = λ / (срр).
Литейная форма является пористым телом. Ее пористость колеблется в пределах от 15 до 45%. Причем основная часть пор относится к капилярным, т.е. таким, в которых форма поверхности жидкости зависит от поверхности сил и мало искажена силой тяжести.
Проникновению жидкого металла в поры формы происходит при условии, если давление металла рм на границе "металл-форма" превышает капиллярное противодавление формы рz.
рм > рz.
Давление металла
рм = Hpq
где, Н - гидростатический напор металла (высота столба); q - укорение силы тяжести; р - плотность жидкого металла.
Капиллярное противодавление
рк = (2 σ cos θ) / r
где σ - поверхностное напряжение; θ - краевой угол смачивания формы металлом; r - радиус поры формы.
Таким образом, чтобы уменьшить проникновение металла в поры формы, следует идти по пути уменьшения r за счет применения мелкозернистого песка и увеличения σ, cos θ, зависящих от физических свойств металла и состава формовочной смеси. Так, краевой угол смачивания песчано-глинистой формы зависит от содержания кислорода и сере в стали.
Если металл не смачивает материал формы, то он может проникать в ее поры только под действием металлостатического давления.
Глубину проникновения металла h в поры формы можно определить по формуле
H = H - (2 σ cos θ) / p q r.
из приведено формулы следует, что пока капиллярные силы превышают металлостатическое давление, механический пригар не образуется.
На смачиваемость формовочных материалов расплавленным металлом влияет газовая атмосфера литейной формы. например, при изготовлении стальных отливок и окислительной атмосфере ширина зоны взаимодействия металла с формой увеличивается в 1,5 - 2 раза по сравнению с изготовлением в воздушной атмосфере.
Механизм взаимодействия жидкой стали с формой, определяющей качество поверхности отливок, можно представить следующим образом. Если при заполнении формы жидкий металл проникает в поры формовочной смеси, происходит образование механического пригара. Эта стадия заканчивается формированием твердой корочки металла на поверхности отливки. Далее при взаимодействии металла с кислородом окружающей газовой атмосферы образуются жидкие оксиды, проникающие в формовочную смесь и вступающие с ней в химическое взаимодействие.
В качестве примера химического взаимодействия можно рассмотреть реакции между стальной отливкой и песчано-глинистой формой.
4Fe + 2O2 ↔ 4FeO;
4Fe + 2SiO2 ↔ 2(2FeO • SiO2);
Al2O3 * 2SiO2 + 4FeO ↔ 2 (2FeO * SiO2) + Al2O3;
Al2O3 * 2SiO2 + 4Fe + 2O2 ↔ 2 (2FeO * SiO2) + Al2O3.
Основными составляющими песчано-глинистых смесей являются кварцевый песок, состоящий преимущественно из зерен кварца SiO2,, и огнеупорная глина (каолинит) Al2O3 * 2SiO2 * 2H2О. при температуре 100 oС и выше удаляется гироскопическая влага. При температуре 450-600 oС происходит распад каолинита на метакаолин и воду:
Al2O3 * 2SiO2 * 2H2О.= Al2O3 * 2SiO2 + 2H2О.
Из анализа изменения изобарно-изотермического потенциала представленных выше четырех реакций вытекает, что преимущественное развитие получают реакции (1) и (4). Таким образом, с термодинамической точки зрения для уменьшения химического пригара на стальном литье желательно в форме создать восстановительную или же нейтральную атмосферу.
Объемная усадка. Объемная усадка металлов и сплавов характеризует изменение объема металла при понижении температуры в жидком состоянии, в процессе затвердевания и при охлаждении твердого металла.
Согласно схеме, предложенной А.А. Бочваром, полная объемная усадка распределяется между объемом концентрированной усадочной раковины и объемом усадочной пористости. Чем больше эффективная часть температурного интервала кристаллизации (разница температур начала усадки и солидуса), тем большая доля объемной усадки проявляется в виде усадочных пор. В сплавах, кристаллизирующихся при постоянной температуре (чистые металлы, сплавы эвтектического состава), усадочная пористость практически не образуется.