1.5 Литье под давлением
Литье под давлением – это, фактически, то же литье в металлические формы. Но дополнительное воздействие на расплав давлением, иногда в несколько тысяч атмосфер, существенно расширяет технологические возможности. Так, давление с большой скоростью (до 12 м/с) «загоняющее» расплав за десятые, а то и сотые доли секунды в стальную пресс-форму, заставляет его заполнить самые узкие каналы. Это позволяет получать отливки сложнейшей формы, с тонкими ребрами, с повышенной на 25-40% прочностью благодаря высокой плотности и мелкозернистому строению, обусловленному быстрым затвердеванием расплава в форме.
По способу создания давления можно выделить разновидности этого процесса: литье под поршневым (рис. 2.2) и газовым давлением, вакуумное всасывание, литье выжиманием, жидкая штамповка, кристаллизация под сверхвысоким давлением, кристаллизация в электромагнитных полях. Наиболее распространено формообразование под поршневым давлением при использовании литейных машин и компрессорного действия.
Рисунок 2.2 – Схема поршневой машины для литья под давлением с горячей камерой сжатия:
1 – тигель; 2 – камера сжатия; 3 – плунжер; 4 – отверстия для подвода жидкого металла в камеру сжатия; 5 – соединительный канал; 6 – пресс-форма.
В поршневых машинах с горячей камерой сжатия (рис. 2.2) жидкий металл из ковша заливают в тигель или ванну, подогреваемую извне, для поддержания требуемой температуры расплава. В ванне смонтирована камера сжатия с поршнем, соединенная каналом с литейной формой. При опускании поршня жидкий металл по соединительному каналу нагнетается в полость формы. После затвердевания отливки поршень возвращают в исходное положение, форму раскрывают для извлечения отливки, и рабочий цикл повторяют вновь. Однако пока оно применимо главным образом для получения тонкостенных деталей из цветных сплавов. Увеличение стенки отливки до 6 мм и выше обычно приводит к газовой пористости.
По сравнению с другими методами литье под давлением экономит 30-50% металла (по массе) и часто в десятки раз снижает общую трудоемкость изготовления детали. Основные направления его развития – использование новых, особенно бесконтактных, способов создания избыточного давления, усовершенствование соответствующих машин, увеличение массы и габаритов литья, повышение точности отливок, их армирование, автоматизация операций и др.
Механической обработки при этом способе практически не требуется; высокие точность размеров, чистота поверхности пресс-формы и давление обеспечивают столь же высокие точность и гладкость отливки. Все операции формовки, сборки и выбивки форм отпадают, ибо сборка формы и извлечение из нее готовой отливки выполняются самой литьевой машиной. В сочетании с быстрым затвердением расплава в пресс-форме это делает процесс литья под давлением высокопроизводительным и позволяет полностью его автоматизировать.
С научных позиций процесс литья под давлением впервые рассмотрен академиком А.А. Бочваром и профессором А.Г. Спасским, которые показали, что давление улучшает питание междендритных и внутридендритных несплошностей, а это, в свою очередь, уменьшает пористость и объем усадочной раковины. Однако одновременно наблюдается и другой эффект – значительное измельчение зерна. Чем можно объяснить это? Прежде всего отметим, что, обсуждая влияние давления на свойства кристаллизующих отливок, нужно различать собственно кристаллизацию под давлением (до 300 МН/м2) и кристаллизацию под сверхвысоким давлением (более 300 МН/м2).
Необходимость такого разделения очевидна, ибо при достижении давления порядка 100-300 МН/м2 механизм кристаллизации, вероятно, изменяется мало, так же, как и температура плавления металла или сплава.
Изменение же давления в пределах, наиболее просто реализуемых техникой, т.е. в пределах 0,5-1 МН/м2, конечно, не влияет заметно на температуру начала кристаллизации. Тем не менее, в этом диапазоне влияние давления особенно эффективно. Можно полагать, что здесь действуют несколько факторов.
Во-первых, резко меняется скорость кристаллизации в связи с исчезновением воздушного зазора между кристаллизатором и отливкой. Во-вторых, по мнению некоторых исследователей, изменяется коэффициент теплопередачи между кристаллом и расплавом, так как там выделяется слой дисперсных пузырьков газа. Однако особенно важно, по-видимому, изменение здесь межфазной энергии, ибо работами ученого С.И. Попеля показано, что межфазное напряжение существенно зависит от давления, причем характер его изменения связан с поверхностной активностью того или иного элемента. Отсюда следует, что влияние давления на структуру многокомпонентных сплавов не может быть однозначным, а зависит от наличия и концентрации поверхностно-активных элементов.
Наконец, укажем еще одно важное явление, которое должно иметь место при кристаллизации под давлением. При увеличении давления расплав проникает в трещины, отчего резко сокращается вероятность их возникновения вследствие концентрации напряжений.
Оценивая в целом возможности направленного воздействия на кристаллизацию, следует отметить, что давление – один из наиболее результативных факторов внешних воздействий, тем более что фактор этот может использоваться в широком диапазоне – от вакуума до тысяч атмосфер, тогда как возможности изменения, например, температуры или времени ограничены.
Сейчас литьем под давлением получают детали массой от нескольких граммов до нескольких килограммов, главным образом из алюминиевых, медных, цинковых и магниевых сплавов. Чаще всего это детали автомобилей, тракторов, самолетов, шестерни, панели и элементы приборов, имеющие развитую поверхность размерами менее метра.
Точность размеров отливок и их шероховатость при литье под давлением зависит от точности и чистоты поверхности пресс-форм. Наиболее качественно литьем под давлением могут быть получены отливки с небольшой (1,5-3,0 мм) и равномерной толщиной стенок.