Планирование литниковой системы

Материалы симпозиума в Санта Фэ<


Введение

При производстве ювелирных изделий в прошлом часто игнорировался металлургический аспект процесса их изготовления, а повышенное внимания ремесленников было сосредоточено на эстетических и стилистических аспектах их творений. Это выражалось в эмпирическом подходе и ориентации на минимизацию затрат при подготовке отливок, вместо сознательного подхода ко всем этим проблемам, связанным с процессом литья и их возможным решениям. Стоит напомнить, что большая часть дефектов на самом деле связана с неправильным планированием системы питания, которую используют, чтобы сохранить ресурсы, вместо получения бездефектных отливок.

Типичные дефекты отливок

Первое, что нужно сделать, это проанализировать все дефекты, возникшие вследствие неправильного питания отливок для того, чтобы можно было проследить причины и, следовательно, выбрать лучший способ их устранения.

Усадочная пористость

Основная причина усадочной пористости – ненадлежащая система подачи металла при литье. В самом деле, если литниковая система хорошо спланирована, такой дефект наблюдается только в ограниченных областях материала: отводы, литники, стояки.

Как вы можете видеть на этих фотографиях, усадочная пористость может появиться в любом случае. Особенно это характерно для массивных деталей, деталей с большими параллельными поверхностями и для ажурных деталей.

В этих проблемных отливках часто образуются полости дендритной структуры, которые вызывают появление «губчатой» структуры металла, что, в конечном счете, уменьшает его прочность, часто приводя к разрушению отливки.

Включения

Этот вид дефекта чаще связан с пресс-формами, чем к самой литниковой системой, и выражается многочисленными включениями на поверхности или внутри металла. Поры располагаются в случайном порядке по всей поверхности и могут быть пустыми или заполненными неметаллическими включениями. Скорее всего, пустые поры в самом начале были заполнены, но впоследствии материал из них был удален последующей обработкой поверхности, например, травлением или полировкой. Но очень часто эти операции вместо решения проблемы только увеличивают размер пор.

Чаще всего таким дефектом грешат отливки, изготовленные методом центробежного литься, где сила давления на форму чрезвычайно высока. Конечно же, количество включений имеет значение,но форма играет основную роль.

Газовая пористость

Газовую пористость, как правило, очень трудно отличить от усадочной пористости: очень часто эти два явления кажутся похожими. Отличительной чертой газовой пористости является ее форма, когда пора окружены мелкими газовыми полостями. Этот вид дефекта, даже если очень часто случается в процессе литья по выплавляемым моделям только в редких или особых случаях является следствием плохой системы подачи металла.

Газовые пористости могут иметь двойное происхождение: они могут появляться за счет газов, образующихся при разложении включений, или они могут возникать за счет захвата газа при чрезмерной турбулентности. Первый случай чаще всего возникает в процессе литья в защитной атмосфере, второй случай, наоборот, является более частым для литья на воздухе, особенно при ручном литье.

Теория литья

Теория литейных процессов была разработана, в основном, для процессов, связанных с получением отливок из чугуна, латуни и алюминия, но не процессов, связанных с миром ювелиров. Но, в любом случае, основная теория справедлива и для нашей области.

При расчете литниковой системы надо принять во внимание два фактора: гидродинамические процессы и процессы теплообмена. Движение жидкостей подчиняется законам, описанным Бернулли и Рейнольдсом, а теплообмен определяется теплопроводностью. В данной работе мы не ставим себе задачи подробного описания теоретических основ процесса, а остановимся на некоторых аспектах, важных для практического применения.

На первый взгляд кажется, что литье по науке приводит к увеличению непроизводительного расхода материала на питатели, литники и стояки, который потом идет в «лом». Однако следует на это взглянуть в более широкой перспективе.

Общая производительность процесса рассчитывается по формуле

RGLOBAL=F/M

Производительность литья

RGETTO=N/G

Отсюда можно легко заметить, что снижение производительности разливки (т.е. материала, используемого для системы подачи), не влияет на увеличение производственных затрат. Чаще всего, бывает с точностью до наоборот: елочка с низкой производительностью увеличивает шанс пустить металл на металлолом из-за дефектов готовой продукции. Как следствие, грамотное планирование литниковой системы приводит к экономия денег и материалов, а также замечательной экономии времени, так как вам не придется переделывать бракованные детали из-за их несоответствия. Давайте посмотрим с чего начать оптимизацию планирования литья.

Гидродинамика

Гидродинамика процесса особенно важна на первом этапе процесса разливки, т.е. когда металл начинает заполнять форму. На этом этапе необходимо, чтобы поток жидкого металла закручивался или, по крайней мере, покачивался, но не слишком сильно, чтобы избежать эрозии металла в форме и посторонних включений внутри металла.

Движение жидкости описывается в законах Рейнольдса и Бернулли. Эти два закона вместе взятые описывают скорость, загрузку, давление, плотность расплавленного металла и шероховатость поверхности формы.

Для получения идеального потока внутри канала подачи, вы должны лить при очень низкой скорости (не рекомендуется как для экономическим показателям, так и по причине затвердевания) или использовать питатели большого размера. Закон Бернулли определяет также выбор пути металла. При наличии ветвления металл будет выбирать преимущественно путь, который требует меньших затрат энергии. Исходя из этого, следует планировать некоторые способы преимущественного питания детали, используя ее геометрию, предусматривающую высокие потери энергии в таких местах, которые необходимо заполнять в последнюю очередь.

В технике литья по выплавляемым моделям это особенно трудно в реальных условиях. Достижение условия качения практически невозможно с учетом технологических параметров. К счастью, стадия заполнения не вызывает серьезную озабоченность, так как дефекты, вызванные чрезмерной турбулентностью дают только небольшой процент дефектов в процессе литья по выплавляемым моделям.

Теплообмен

Чрезвычайно важным является изучение процесса затвердевания отливок, поскольку в этот момент образуется большинство дефектов в процессе литья по выплавляемым моделям.

Прежде всего, следует сказать, что затвердевание управляется так называемой "пастообразно зоной" (см. рисунок 10). Так как мы имеем дело не с чистыми металлами, то затвердевания происходит не при определенной температуре, а в диапазоне температур между солидусом и ликвидусом.

Фронт кристаллизации образуется в области, которая не является ни твердой, ни жидкой, и где начинают зарождаться и расти первые твердые зародыши. Во время затвердевания могут возникнуть чрезвычайно критические ситуации, так как вы находитесь в присутствии сплавов материалов, а не чистых металлов. В процессе затвердевания наблюдается явление разделения некоторых элементов в жидкости, которые остаются вокруг зерен, пока идет формирование структуры металла (рисунок 11). По мере продвижения процесса кристаллизации пастообразная зона приобретает состав, определяющий состав отливки. Когда последняя жидкость затвердевает, состав отливки может оказаться совершенно отличным от номинального, что вызывает появление дефектов в связи с макроявлениями сегрегации. Поэтому, надо добиваться, чтобы последними затвердевали те части отливки, в которых присутствие пористости и сегрегации не имело бы никакого значения.

Необходимо рассмотреть еще один аспект - объемная усадка при затвердевании. Большая часть материалов уменьшает объем с падением температуры, особенно при переходе из жидкого состояния в твердое. Если отливка правильно питается, усадка каждой затвердевающей части постоянно компенсируется подачей новых порций жидкого металла.

Теплообмен является основным фактором такого рода процессов. На самом деле, игнорируя вклад градиента концентрации (предположение, которое может быть сделано только при первичном анализе), можно сказать, что область затвердевания и пастообразная зона следует за поведением теплового градиента, то есть затвердевание возникает в районах переохлаждения, двигаясь затем к более теплым областям.

Первый пример, показанный на рис. 13, - деталь с углами и отдельными выносными объемами, которые могут изменить температуру внутри отливки.

Еще один пример – это массивные изделия, изменяющие ожидаемый термоградиент. Мы будем обсуждать этот аспект в подробностях в следующих разделах.

Принципы правильного планирования литья

Модель

Процесс литься начинается с изготовления модели. Модель может быть изготовлена вручную или с применением современных методик CAD и CAM ( Изготовление с помощью станков ЧПУ, эта методика быстрее и точнее). Обычно модель делают из металла или воска. C металлической модели делают резиновую пресс-форму, в которую потом заливают воск. Вторая модель непосредственно используется для литья металла.

В первом случае для получения металлической модели желательно использовать специально сделанные латуни для литья (с высокими механическими свойствами),они обладают высокой твердостью и дают очень мало дефектов при литье, а также дают очень хорошую поверхность при отделке. Для того, чтобы еще улучшить качество поверхности модели вы можете нанести гальванические покрытия родием, медью или никелем.

Высокое качество поверхности модели является основным фактором, чтобы избежать дефектов на поверхности отливки. Все дефекты модели воспроизводятся на восковых моделях, что, в свою очередь, воспроизводится в отливках.

Во втором случае, когда литье начинается с восковой модели, тоже следует использовать модель с адекватной обработкой поверхности, что помогает избежать плохого качества литья.

Преимущества высокого качества поверхности модели:

- Получается форма с очень низкой шероховатостью и это значит, что полученное изделие будет с очень хорошим качеством поверхности;

- Форма с очень хорошим качеством поверхности имеет низкий коэффициент трения, позволяющий жидкости избежать чрезмерной турбулентности, вызывающей эрозию, газовые и иные включения.

Не следует забывать, что воспроизводство тончайших деталей невозможно, когда, собственно, отсутствует отделка поверхности.

В общем, рекомендуется планировать и реализовать модель, используя технологию CAD/CAM. Таким образом, размеры и геометрия модели определяются и контролируются, уже начиная с планирования. Это позволяет точно воспроизвести модель, разработанную дизайнером. Нужно подчеркнуть важность однородной толщины детали во избежание концентрационной усадки из-за плохо сделанной модели.

Система питания – Введение

В этой работе представлены обобщенные правила для восковых елочек. Затем мы обсудим основные правила о размерах питателей, выбора их количества и положения на отливках.

Напоминаем, что большая часть дефектов отливок связана с планированием питателя, который часто разрабатывают таким образом, чтобы сэкономить время при резке или чтоб сохранить материал, вместо того, чтобы получить отливку с наименьшим количеством дефектов литья.

Исходя из этого, мы хотели бы убедить операторов планировать правильно систему питания и это мы обсудим ниже.

Питатель

К сожалению, в Италии нет конкретной технической лексики для описания всех деталей системы подачи, есть только общее слово «фидер», применяемое к любому описанию отводов расплавленного металла. Поэтому мы будем пользоваться английской терминологией, пояснения к которой видны на рис.14.

Для того, чтобы рассчитать размер основного стояка и отводов, вы должны установить их подходящее количество, чтобы гарантировать полное заполнение металлом форм; в немногих словах, в то время как обычно основной стояк только один, отводов может быть несколько. Первый размер может быть получен путем вычисления массы металла, необходимой для полного заполнения форм в зависимости от времени и скорости процесса литья.

На втором месте расчет литника, диаметр которого должен находится в соотношении 1: 1 по отношению к отводу. Следует сказать, что размеры участка литника должно быть такие же как размеры секции, куда помещен литник.

Желательно, чтобы все элементы системы подачи имели закругленные профили из соображений лучшей гидро- и термодинамики.

Что касается жидкости в динамическом аспекте, трение связано с шероховатостью поверхности и скоростью заливки. Таким образом, в закругленной части трение будет меньше, чем в другой части. Чем меньше трение жидкости, тем меньше турбулентность при движении жидкости и, следовательно, ниже шанс появления газовой пористости и включений. Что касается термодинамического аспекта, то размеры подачи металлов должны быть такими, чтобы металл не образовывал "желе", прежде чем произошло заполнение. Это может быть достигнуто достаточно большими размерами как главного стояка, так и питателя и литников.

Тем не менее, расположение отливок всегда важный аспект правильной системы разлива.

В общих чертах, размещать литники следует в самых критических областях для заполнения, например:

- В тяжелой части отливки (где сосредоточена большая масса металла) (см. рис. 15);

- Где есть резкие изменения профиля, углы;

- В положении, которое позволяет установить литник и быть уверенным, что эта область будет последней при заполнении и затвердевании.

Последний пункт самый сложный. В самом деле, для простых геометрий поведение фронта кристаллизации легко предсказуемо, но достаточно сложно, когда вам приходится иметь дело с особенно вычурным дизайном.

Как уже было сказано, образование фронта кристаллизации следует за температурным градиентом. При литье, градиент температуры, хотя он и отображает особенности форм, все же не является постоянным во времени и может быть полностью непредсказуем.

Возвращаясь, к примеру, в случае с отливкой с большими различиями массы (рисунок 14), вы можете представить себе поведение градиента температуры, как показано на следующем рисунке:

Правая часть чертежа (рисунок 16) соответствует самой массивной области кольца. Как только начинается заливка, максимальная температура у отвода, поскольку этому способствует теплообмен с внешней стороной формы. Постепенно, из-за высокой тепловой инерции массивной части, вы будете иметь инверсию градиента температуры.

В результате эта часть будет достигать температуры затвердевания в месте, близком к питателю, а не, как это происходит в большинстве случаев, наиболее внешней части отливки. В таком случае, питание будет затруднено из-за образования твердого материала, не поступая в не полностью затвердевшие участки, что приведет, в лучшем случае, к усадочной пористости до получения в худшем случае отливки непредсказуемой формы. Это может быть объяснено тем, что материал в процессе затвердевания имеет тенденцию к сокращению. Для компенсации усадки из питптеля постоянно поступает расплавленный металл. Но если на его пути уже образовался твердый слой, он уже будет не в состоянии принять новый материал и, как следствие, возникнет пустое пространство. Это и приведет к появлению пористости или даже усадочных раковин на поверхности отливок.

Продолжим разговор на примерах. Иногда кольца имеют значительное уменьшение в объеме (для уменьшения веса); глядя на рис. 17, вы можете четко видеть, что это часть с внутренней стороны шинки. Куда же поместить литник? Идеально было бы разместить его с разных сторон шинки. В случае, когда литник ставится с внешней стороны шинки, наверняка будет возникать усадочная пористость. В этом случае, вы должны выбрать для размещения точку, где металл будет распространяться в обе стороны, но меньше в более массивную часть. Очень часто используется альтернативное решение, которое заключается в использовании нескольких каналов для литников (см. рисунок 18). Каждый литник может быть размещен в каждой из важнейших областей. Такой литник используется для улучшения заполнения отливок сложной геометрии.

Пайка воска

Приваривание восковой модели к питателям имеет большое значение. В самом деле, когда металл попадает в форму в присутствии острого угла (и, следовательно, острой кромки, потому что нет никакого закругления), это может вызвать дефекты (например, отверстия), которые слепой глаз может спутать с пористостью, побуждая оператора уточнять рабочие условия (например, температуры формы и металла). Необходимо потратить время, чтобы избежать острых углов при приваривании моделей и сделать место соединения закругленным.

Мы считаем, что это явление наиболее вероятно в литейных системах, где скорость входящего металла высока, и, как следствие, выше кинетическая энергия.

В частности, для тех, кто использует центробежные системы, это наиболее тонкий момент, так как велик шанс такой ошибки, вызывающей дефекты. С другой стороны, сопротивление в этой точке зависит также от механических характеристик огнеупорных форм. Было бы целесообразно обратить самое пристальное внимание на выбор качества формы и также путей ее подготовки. Поэтому необходимо следовать указаниям производителя при перемешивании и обжиге формы.

Угол установки отводов

Как упоминалось ранее, угол установки отводов сильно влияет на заполнение отливок. Идеальное положение, как это видно на левой стороне рисунка 20, это тогда, когда первый поток металла или его часть заполняет отливки с соблюдением принципа сообщающихся сосудов, т.е. когда верхние отливки не заполняются прежде нижних до тех пор, пока поступление расплавленного металла в основной литник не достигло своего пика. Существует риск, что верхние отливки могут быть заполнены раньше. На правой стороне рисунка 20 показан стояк, в котором металл должен попасть в бок и частично заполнить отливки, в то время как вторая порция металла, который заполнит отливки столкнется с уже затвердевшим металлом. В этих условиях, я почти уверен, появятся дефекты.

Принимая во внимание тот факт, что шанс металла попасть в отвод обратно пропорционален углу между этим последним и основным литником, то, чтобы гарантировать, что этого не произойдет, идеальными будут углы 90 ° С. Таким образом, вы максимально снизите количество жидкости, которая, вряд ли отклонится от главного желоба во время первой фазы заливки.

Дальнейшее совершенствование может быть достигнуто разливом снизу, но это не обычная практика в ювелирном деле.

Заполнение снизу имеет много преимуществ, таких как отсутствие эрозии и более полное заполнение. В этих условиях, турбулентность расплавленного металла практически нулевая.

Наоборот, при такой системе заливки провести анализ характеристик градиента температуры во времени гораздо сложнее, вместе с возможными проблемами сварных швов у воска.

Несмотря на это, такое решение может дать поразительные результаты.

Более обычное решение изображено на следующем рисунке:

Установка углов – Отливки

Установка отливок должна следовать одному очень простому правилу: проекция отливки на горизонтальную плоскость должна быть минимальной. Возьмем в качестве примера медали на рисунке 23. В случае, если они установлены на горизонтальном положении, у вас возникнет ситуация, показанная на рисунке 24.

Волны в нижней части рисунка отображают характеристики градиента температуры во времени. Можно заметить, что между 16 и 17 минутами большая часть медали достигает температуры кристаллизации. Весь этот материал может одновременно превратиться в "желе", противодействуя инъекции новой жидкости, чтобы компенсировать изменение объема, типичного для фазы жидкое-твердое. Следовательно, в верхней части вы будете иметь очевидную пористость, если не конусообразную усадку. Если же, медали установить в вертикальное положение, часть металла затвердеет и сузит сечение. Инъекция нового жидкого металла не остановится и дальнейшие усадки могут образоваться в областях за пределами отливок.

Поэтому, исходя из нашего правила, стоит разместить медали параллельно и как можно более вертикально, как показано на рисунке 23.

Резервуары и термопереходники

В случае, если это не возможно или вы считаете целесообразным не использовать питатель, который предотвращает образование дефектов усадки, вы можете использовать некоторые резервуары, подводящие металл к месту в различных точках отливки; эти резервуары или переходники содержат запас металла для всех тех областях, которые не могут быть достигнуты с помощью обычной подачи через отводники, или для отливок с критический геометрий.

Они предназначены не только для приема металла на этапе затвердевания, но и сохраняют тепло в течение более длительного периода времени в местах, где вы рискуете иметь преждевременное затвердевание.

Эти небольшие резервуары, как можно видеть на рисунке 25 и 26, должны иметь очень короткий питатель округлой формы (сфера на самом деле гарантирует меньшую потерю энергии по сравнению с количеством энергии, содержащимся в любой другой форме вещества). Резервуар должен быть помещен в тех массивных областях которые невозможно достичь с питателем.

Иными словами, если мы в ситуации, когда отливка с постоянной толщиной, но в ней есть отверстия, обусловленные дизайном изделия, то основная часть этой детали с отверстием проблематична в плане заливки из-за преждевременного замерзания. В самом деле, как это можно видеть на рисунке 26, в области отверстия идет ранний процесс затвердевания из-за незначительного количества расплавленного металла (менее массы детали), в результате чего нижняя область может показать усадочную пористость. В этом случае использование резервуара рядом с критической областью, может помочь с решением этой проблемы.

Резервуар и литник вместе

Еще один способ использовать резервуар - установить его, чтобы избежать установки литника слишком большого диаметра. Задача литника, по сути, доставить материал для заливки в форму. Не менее важным является сохранение тепла, которое необходимо, чтобы металл оставался жидким на все время заливки.

На самом деле по литникам (как уже упоминалось) расплавленный металл поступает в то время, когда последняя часть детали уже затвердевает. Для того, чтобы это произошло, литники должны оставаться жидкими, пока отливка не затвердеет. Во многих случаях отводы для удовлетворения этих условий должны иметь очень большой диаметр, и не всегда это решение хорошо в производственных реалиях.

Можно так установить резервуар, чтобы поддерживать температуру, необходимую для предотвращения преждевременного отверждения литника. На рисунке 27 показана такая практика.

Расстояние между отливками

При сборке елочки целесообразно установить детали не слишком близко друг к другу, так как во многих случаях бывает так, что дефекты отливок появляются только на одной стороне. Этот факт зависит от теплового воздействия, осуществляемого между близко расположенными отливками, что замедляет их затвердевание.

Коротко, отливки влияют друг на друга в течение времени отверждения, которое связано не только с формой отливки, но зависит также от того количества металла, который распределяется по ним и идет при более высоких температурах. Это, в основном, создает большую путаницу при определении времени затвердевания и иерархии затвердевания отливки. На самом деле, это зависит не только от формы отливки (т.е. всех расчетов, соображений, сделанных по количеству питателей, положения питателей и т.д.), но еще существует переменная, отражающая влияние отливок, близких к друг другу. Тогда вся работа по планированию, сделанная выше, прекращается и вы находитесь в ситуации, в которой отливки имеют дефекты, даже если на бумаге планирование системы подачи сделано правильно.

Конечно, может быть целесообразным разместить меньше отливок на стояке для того, чтобы им всем хватило места. Но это снижает производительность и, как и все процессы, которые направлены на получение наилучшего качества, стоимость процесса имеет тенденцию к увеличению. Чтобы возможно уменьшить тепловое воздействие, необходимо установить отливки достаточно далеко друг от друга. Расстояние должно быть таким, чтобы избежать тепловых изменений и неоднородного обмена между деталями. Здесь нет общих правил, так как расстояние должно быть выбрано в соответствии с размерами и геометрией деталей.

Например, на рис. 28 расстояние в 10 мм может быть недостаточно.

Расстояние от окончания

Еще одна важная вещь - расстояние между питателем и стояком (конечная часть).

Оно может быть оценено от 10 до 15 мм (рис.29).

Следует также оценить расстояние между последней отливкой и окончанием елочки. Это направлено на ограничение влияния турбулентности, генерируемой потоком жидкого металла, который по прибытию к концу основного литника начинает заполнять его.

В результате это приводит к снижению включений и турбулентности и в то же время уменьшает тепловое воздействие и связанные с ним дефекты усадки.

Заключение

Мы дали краткий обзор примеров планирования литниковой системы и елочек.

У нас нет абсолютно установленных правил о том, как вы должны работать, но мы пытаемся направить внимание операторов на те проблемы, с которыми мы столкнулись. Конечно, сделать расчеты количества и сечений питателей может быть достаточно сложно, но это оправдывает затраты времени. Чтобы оптимизировать затраты на производство изделий, следует принять во внимание наши основных советы.

По статистике большая часть компаний действуют, не учитывая примеры планирования елочки, ее архитектуры и размеров питателей. Очень часто такие компании утверждают, что их отливки не имеют дефектов и не имеют проблем такого рода.

Конечно, им удается найти компромисс, даже если архитектура елочки не является оптимальной и питатели не помещены правильно или их слишком мало, они получают хорошие результаты.

Это происходит, когда компании могут найти свое равновесие среди целого ряда переменных (формы отливки, условия обработки, например, температуры металла и формы, размера и диаметра сосуда, используемого для заливки, применяемого оборудования), чтобы достичь приемлемых результатов.

Тем не менее, закупка сырья, лигатур и оборудования высокого качества и литье в соответствии с правилами теории, которые были здесь обсуждены, обеспечат вам более стабильный и устойчивый рабочий цикл.

Цель данной статьи заключается в распространении знаний для качественного роста ювелирного сектора и получения им максимальной экономической выгоды.