Технологические режимы литья под давлением
К важнейшим параметрам технологического процесса при литье под давлением относятся: продолжительность заполнения пресс-формы расплавом; скорость поступления расплава в пресс-форму; размеры и расположение вентиляционных каналов; количество и свойства смазочного материала пресс-формы; температура расплава и пресс-формы.
Продолжительность заполнения пресс-формы. Рекомендуемая зависимость продолжительности заполнения пресс-формы металлом (tзап) от толщины стенки отливки (lо) для разных сплавов приведена на рисунке 4.4. Следует помнить, что согласно этим данным продолжительность заполнения, найденная для определенных, наиболее характерных для данных сплавов температур заливки расплава и пресс-формы, зависит только от толщины тела отливки и не зависит от ее конфигурации, размеров и массы. Но в условиях интенсивного теплообмена между расплавом и пресс-формой время течения первых порций расплава в ее рабочей полости ограничено длительностью, после которой вероятно образование неслитин и неспаев.
Рисунок 4.4 – Зависимость времени заполнения пресс-формы от толщины отливки: 1 – магний; 2 – магниевый сплав; 3 – алюминиевый сплав; 4 – цинковый сплав
Скорость поступления расплава в пресс-форму, определяя характер его движения (сплошной спокойный или с высокой турбулентностью, дисперсный), оказывает влияние не только на качество отливки, но и на долговечность пресс-формы. Так, слишком высокая скорость расплава повышает вероятность смыва смазочного материала с рабочих поверхностей пресс-формы, эрозионного воздействия на ее стенки и, как следствие этого, приваривания отливки к пресс-форме. При извлечении отливки это может приводить к поломке пресс-формы, короблению, образованию трещин на отливке или ее разрушению. Работа при низких скоростях расплава, как правило, не обеспечивает высокого качества поверхности отливок.
Для всех типов сплавов, используемых при литье под давлением, опти-мальная скорость поступления расплава в пресс-форму чаще всего составляет 10 – 50 м/с (меньшие значения – скорости, используемые при изготовлении отливок из сталей и медных сплавов, большие – из цинковых и свинцово-оловянистых сплавов).
Температура пресс-формы перед заливкой назначается с учетом состава заливаемого сплава, конфигурации отливки, толщины ее стенки, а также других факторов. При литье цинковых сплавов температура пресс-формы должна составлять 120 – 160оС, для алюминиевых – 180 – 250оС, для магниевых – 200 – 240оС, для латуни – 280 – 320оС и для стали – 200 – 280оС. Для уменьшенной толщины стенки отливки и усложненной ее конфигурации температуру пресс-формы назначают ближе к верхнему пределу указанных интервалов, а для более массивных отливок – ближе к нижнему. Соблюдение этого принципа позволяет при изготовлении тонкостенных отливок улучшить заполнение формы расплавом, а для более массивных – повысить скорость затвердевания и уменьшить количество усадочных дефектов. Для регулирования температурного режима работы пресс-формы, управления процессом затвердевания и охлаждения отливки в конструкциях пресс-форм служат системы охлаждения или тепловой изоляции отдельных элементов пресс-формы.
Температура заливки расплава зависит от химического состава сплава, конфигурации отливки, ее размеров и выбранного режима заполнения пресс-формы. При заполнении пресс-форм значительно перегретым расплавом последний может проникнуть в вентиляционные каналы пресс-формы и закупорить их, что приведет к увеличению газовой пористости в отливках, а в некоторых случаях к браку по незаполнению формы. Высокая температура расплава способствует увеличению объема усадочных пор в отливке. Длительность затвердевания и охлаждения отливки возрастает. При этом снижается темп работы машин, возрастает тепловая нагрузка на пресс-форму, вследствие чего снижается ее стойкость, увеличивается опасность «приваривания» отливки к пресс-форме, возникает опасность поломки отливки или пресс-формы при выталкивании отливки.
Этим объясняется стремление литейщиков заливать расплав при возможно более низкой температуре: для цветных сплавов температура заливки расплава в камеру прессования обычно на 10 – 30оС выше температуры ликвидуса. С увеличением размеров отливки и уменьшением толщины ее стенки температуру заливки принимают ближе к верхнему пределу, а для массивных отливок простой конфигурации – ближе к нижнему. Для массивных отливок, а также отливок с повышенными требованиями по плотности температуру расплава часто принимают а интервале ликвидус – солидус, т.е. проводят заливку расплава в твердожидком состояния. Это позволяет обеспечить последовательное вытеснение воздуха и газов из пресс-формы и уменьшить объем усадочных пор в отливке. Одновременно уменьшается тепловая нагрузка на пресс-форму, повышается ее стойкость, уменьшается продолжительность охлаждения отливки, опасность ее «приваривания» к пресс-форме, возрастает надежность работы машины.
При литье сплавов в твердожидком состоянии уменьшается пористость отливок, вследствие чего возрастает их герметичность, несколько повышаются их механические свойства. Температуру заливки в этом случае назначают в соответствии с необходимым содержанием твердой фазы в расплаве и определяют по диаграмме состояния сплава. Содержание твердой фазы обусловливает реологические свойства сплава, эффективную вязкость, модуль упругости, предельные напряжения сдвига, т.е. характеристики его свойств, от которых зависит способность сплава заполнять полость пресс-формы. Для алюминиевых сплавов типа АЛ9 содержание твердой фазы, при котором обеспечиваются хорошая заполняемость форм и удовлетворительные свойства отливок, должно находиться в пределах 40 – 60 %. Заполнение форм твердожидкими сплавами практикуют только на машинах с холодными камерами прессования, так как на машинах с горячими камерами такие режимы осуществить сложно из-за затвердевания расплава в мундштуке и невозможности его самопроизвольного перетекания из тигля в камеру прессования.
Давление прессования зависит от толщины стенки отливки, ее размеров и конфигурации, химического состава сплава.
Анализ требований, предъявляемых к отливке, позволяет оценить минимально необходимое давление прессования Pnpmin. При этом чем больше толщина стенки отливки, тем более высокое давление прессования требуется для обеспечения ее качественных характеристик. Для примера, приведенного в таблице 4.1, меньшие значения рекомендуемого давления прессования соответствуют толщине стенки отливки около 3 мм, а большие – 5 – 7 мм.
Таблица 4.1 – Рекомендуемое давление прессования для отливок разного назначения
Смазочные материалы, которые используются при литье под давлением, делятся на две основные группы: первая для смазывания рабочих поверхностей пресс-формы, вторая для смазывания пресс-поршня и камеры прессования.
Смазочные материалы для пресс-форм защищают их рабочие поверхности от химического, механического, теплового воздействия струи расплава, предотвращают приваривание отливки к пресс-форме, а также снижают усилие извлечения стержней и отливок из пресс-формы, т.е. предотвращают поломку оснастки и деформацию отливок при извлечении их из пресс-форм.
Смазочные материалы для пресс-форм должны обладать высокими смазывающими и противозадирными свойствами при температурах взаимодействия отливки и пресс-формы, иметь минимальную газотворность при разложении под действием высоких температур, не оказывать вредного влияния на свойства отливок (герметичность, газосодержание, коррозионную стойкость), не повреждать поверхность пресс-формы и отливки, быть нетоксичными, не содержать дефицитных материалов. Кроме этого, смазочный материал должен сохранять свои свойства при хранении, быть пожаро- и взрывобезопасным, обладать такими свойствами, чтобы его можно было наносить на поверхность пресс-формы автоматическими устройствами.
Чаще всего для автоматизированного выполнения операции смазывания в производстве используют смазочные материалы на основе минеральных масел в виде эмульсии масла в воде с добавками твердых наполнителей со сложной молекулярной структурой и различных химически активных присадок.