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.
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.
Линейная усадка. Линейная усадка металлов и сплавов отражает изменение линейных размеров отливки после образования на ее поверхности жесткого кристаллического скелета и охлаждения до комнатной температуры.
В отливах из чистых металов температура начала линейной усадки соответствует температуре плавления. Линейная усадка в этом случае пропорциональная линейному коэффициенту термического расширения и разности между температурами плавления и комнатной:
ε = αt (tпл - t20)*100,
где, ε - коэффициент линейной усадки, %, α t - средний линейный коэффициент расширения металла в интервале от tпл до t20; tпл и t20 - соответственно температуры плавления и комнатной.
Участок диаграммы состояния между температурой начала линейной усадки и температурой солидус назван А.А. Бочваром эффективным интервалом кристаллизации.
Трещиностойкость. Это - способность металлов и сплавов к релаксации (ослаблению, уменьшению) напряжений, возникающих в отливке при затвердевании и охлаждении, в результате усадки, фазовых превращений или температурного перепада.
В практике литья обычно различают два вида трещин - горячие и холодные. Это деление весьма условно. Считается, что горячие трещины образуются в области, близкой к температуре солидус. По внешнему виду эти трещины отличаются окисленной поверхностью, в особенности - на стальных отливках. Холодные трещины, в отличие от горячих, имеют поверхность и образуются в области упругих деформаций при температуре, которая значительно ниже температуры окончания кристаллизации.
Свариваемость. От свариваемости сплавов зависит качество исправления дефектов отливок и надежность соединения литых деталей методом сварки.
Для художественных отливок это свойство имеет большое значение. Особенно важно обеспечить надежное соединение крупных элементов скульптур.
В литейной практике свариваемость обычно оценивают по склонности к образованию сварочных трещин и по разупрочнению околошовной зоны. Трещин в зоне сварного шва могут появиться при его остывании в результате возникновения больших термических напряжений. Свариваемость оценивают также, сопоставляя свойства шва и околошовной зоны со свойствами основного металла.
При объемной штамповке поковку требуемой формы и размеров получают с помощью специального инструмента, назывемого штампом. Формоизменение поковки производится в полостях штампа, называемых ручьями.
Применяется 2 вида ручьев:
У открытых зазор между половинами штампа переменный и уменьшается в процессе деформирования поковки. В этот зазор вытекает металл в облой, закрывая выход основного металла, тем самым способствуя заполнению полости ручья. В конце штамповки в облой вытесняются излишки металла.
При штамповке в закрытых ручьях зазор между половинами штампа небольшой и предназначен для обеспечения взаимной подвижности частей штампа. В процессе штамповки он остается постоянный и в него может вытекать металл, образуя торцовый заусенец. Наличие заусенца указывает на излишек металла в заготовке. Важно: объем заготовки для такого ручья должен быть точным, так как излишек металла вызывает не только образование заусенца, но и приводит к значительному возрастанию напряжений в полости ручья и более интенсивному его износу.
Исходным для штамповки является прутковый материал преимущественно круглого поперечного сечения. Из такой заготовки затруднительно получить удлиненную поковку сложной формы в одном штамповочном ручье. Для получения поковки без значительного перерасхода материала заготовке необходимо придать форму, близкую к форме поковки. Такое формообразование выполнятеся в заготовительных ручьх штампа.
Заготовительные ручьи – служат для перераспределения металла исходной заготовки по длине в соответствии с его распределением в поковке. Заготовительные ручьи также делят на открытые и закрытые.
В закрытых заготовительных ручьях течению металла в требуемом направлении способствуют ограничения в виде боковых стенок ручья.
При обработке в заготовительных ручьях, в отличии от штамповочных, всегда должно быть некоторое недозаполнение полости ручья. В противном случае металл будет вытекать в зазор между штампами, образуя заусенец, который будет заштампован в окончательном ручье, что приведет к браку.
Молоты относятся к кузнечно-штамповочному оборудованию динамического действия. Основные их недостатки заключаются в передаче сотрясений при ударах на близко стоящее оборудование, на конструкции здания кузнечного цеха и окружающих строений, в большом шуме и невысокой точности получаемых поковок. Несмотря на эти недостатки молоты в настоящее время достаточно широко применяются в промышленности, так как динамическое воздействие на заготовку эффективно в случаях штамповки поковок сложной формы, а также при обработке труднодеформируемых и жаропрочных сплавов.
Для горячей объемной штамповки в настоящее время применяют паровоздушные, механические и гидравлические молоты. Наибольшее распространение получили паровоздушные молоты.
Паровоздушный штамповочный молот двойного действия работает по тому же принципу, что и ковочный, но имеет некоторые конструктивные отличия. Если при ковке получают изделия простой формы, то при штамповке стремятся достичь максимального приближения формы поковки к форме готового изделия, и поковки получаются довольно сложными — с ребрами, выступами, полостями и т. п. Поэтому необходимо, чтобы удар был как можно жестче, т. е. максимальная доля энергии удара затрачивалась бы только на деформирование поковки. Это обеспечивается большой жесткостью падающих частей и большой массой шабота. Масса шабота штамповочного молота в 20 раз больше массы его падающих частей. Совмещение осей верхней и нижней частей штампа при штамповке обеспечивается наличием удлиненных регулируемых направляющих и креплением стоек молота непосредственно на шаботе. В процессе штамповки кузнец сам управляет молотом, нажимая на педаль или рукоятку.