vědomosti

 

Pro správné posouzení podávání a vtokování je nutné porozumět tuhnutí slitiny. Mechanismy tuhnutí různých slitin se mohou značně lišit. Proto se liší i metody výroby hustých a bezvadných odlitků. Tento článek se zabývá některými základními faktory, které ovlivňují vzorec tuhnutí, a diskutuje o tom, jak tyto faktory ovlivňují metody návrhu stoupacích potrubí a vtoků.

 

Mechanismy tuhnutí

Abychom správně posoudili proces tuhnutí, je nejprve nutné pochopit, jak slitiny tuhnou. Nestačí pouze rozlišovat slitiny podobnými obecnými názvy, jako je bronz, ocel nebo hliník, a předpokládat, že jsou tuhnuty podobným způsobem. Je to proto, že tyto slitiny pokrývají celou škálu mechanismů tuhnutí. Z praktického hlediska je obvykle dostačující rozdělit je do dvou širokých kategorií na základě krystalizačního rozsahu: slitiny s „dlouhým“ a „krátkým“ krystalizačním rozsahem.

 

Tuhnutí slitin s krátkou teplotou tuhnutí

Když se slitiny s krátkou dobou tuhnutí chladí v pískové formě, části, které jako první dosáhnou linie likvidu, začnou tuhnout. K tomu obvykle dochází na rozhraní mezi odlitkem a formou, kde je přenos tepla největší. Chlazení stěny formy způsobí, že se kolem kapaliny vytvoří vrstva tuhnoucího kovu. Teplo se dále přenáší tuhnoucím kovem a kapalina začíná tuhnout a vrstva tuhnutí začíná houstnout. Pevná a kapalná fáze jsou odděleny jasnou hranicí. S rostoucím přenosem tepla se fronta tuhnutí stabilně posouvá směrem ke středu odlitku. Fronta krystalizace se relativně zkracuje, což odpovídá začátku krystalizace nahoře a konci krystalizace dole. Slitiny s krátkou dobou tuhnutí mohou tuhnout postupně i při relativně nízkých teplotních gradientech.

 

Tuhnutí slitin s dlouhým bodem tuhnutí

U slitin s dlouhým rozmezím tuhnutí je postupné tuhnutí obtížnější. I když se na stěně formy může zpočátku vytvořit tenká vrstva tuhnutí, tuhnutí neprobíhá okamžitě směrem k horkému středu odlitku. Místo toho na stěně formy začíná „nukleační vlna“ tuhnutí odpovídající izoploše likvidu a postupuje dovnitř. Po určité době opouští stěnu formy druhá vlna, „vlna terminační krystalizace“, odpovídající izoploše solidu, a následuje nukleační vlnu směrem ke středu odlitku. Jak nukleační vlna prochází, tuhnutí začíná v každém bodě odlitku, dokud nedorazí konečná terminační vlna. Slitiny s dlouhým rozmezím tuhnutí obecně tuhnou se třemi odlišnými oblastmi: zcela kapalnou oblastí v horkém středu odlitku; oblastí ztuhlého kovu na stěně formy; a částečně ztuhlou oblastí mezi kapalnou a pevnou oblastí. U typických slitin s dlouhým rozmezím tuhnutí, jako jsou slitiny cínu s tlustým průřezem, má široký rozsah tuhnutí a nízká rychlost ochlazování za následek nízký teplotní gradient, kdy kapalná a pevná fáze koexistují v celém průřezu odlitku.

 

Faktory ovlivňující mechanismy tuhnutí

Existuje mnoho faktorů, které ovlivňují vzorec tuhnutí konkrétní slitiny. Rozsah tuhnutí slitiny, měřený teplotou, není spolehlivým ukazatelem. Časový interval mezi začátkem a koncem krystalizace však určuje, jak slitina tuhne. Interval mezi kapalnou a pevnou fází je určen následujícími faktory:

Krystalizační rozsah slitiny:

Jak je znázorněno na fázovém diagramu, jedná se o základní charakteristiku specifické slitiny. Krystalizační rozsah je teplotní rozdíl mezi začátkem a koncem tuhnutí. Při pevné rychlosti přenosu tepla platí, že čím širší je teplotní interval, tím delší je efektivní doba pro růst krystalizace, a tím je obtížnější podávání.

 

Tepelné vlastnosti formy:

Tepelná vodivost formy ovlivňuje rychlost přenosu tepla odlitku a v důsledku toho i teplotní gradient odlitku. Čím vyšší je tepelná vodivost a tepelná kapacita materiálu formy, tím větší je rychlost přenosu tepla odlitku a tím kratší je časový interval mezi kapalnou a pevnou fází. Čím strmější je tedy teplotní gradient, tím kratší je růst krystalů a tím je to příznivější pro konstrukci podávání. Tepelná vodivost pískových forem je relativně nízká, což má za následek nízký teplotní gradient v odlitcích, zejména u silných a velkých průřezů. Formovací materiály, jako je chromitový písek nebo zirkonový písek, mají ve srovnání s křemičitým pískem vyšší tepelnou vodivost a tepelnou kapacitu, což pomáhá zvýšit teplotní gradient a zlepšit hustotu odlitků, zejména u tenkých průřezů.

 

Tepelná vodivost tuhnoucí slitiny:

Slitiny jako na bázi mědi nebo hliníku mají vysokou tepelnou vodivost, což snižuje teplotní gradient během tuhnutí odlitku, a tím se teplota v celém průřezu odlitku rychle vyrovnává. V důsledku toho se růst krystalů prodlužuje a podávání se stává obtížnějším.

 

Teplota tuhnutí:

Čím vyšší je teplota tuhnutí slitiny, tím větší je rychlost přenosu tepla a teplotní gradient napříč průřezem odlitku. V důsledku vysoké teploty tuhnutí je růst krystalů inhibován a podávání se stává efektivnějším.

 

Modul tuhnutí:

Zvýšení modulu tuhnutí nebo doby tuhnutí snižuje teplotní gradient napříč průřezem odlitku. Růst krystalů a šířka krystalizace se zvětšují, což vede k ploššímu teplotnímu gradientu a zvětšení vnitřních smršťovacích dutin.

 

Vliv mechanismu tuhnutí na rozložení dutin smršťování

Široká škála krystalizačních vzorců slévárenských slitin vede k různým formám smršťovacích dutin v odlitcích a náběhových trubkách. Slitiny s krátkým krystalizačním rozsahem obecně vykazují hluboké trubkovité smršťovací dutiny v náběhových trubkách během většiny intervalu tuhnutí. Vnitřní pórovitost v odlitcích se projevuje jako malé smršťovací dutiny v pozdní fázi tuhnutí. V této době se rovnoběžné části čela tuhnutí dotýkají a přívod kovu je tím přerušen: toto se obvykle nazývá centrální smršťovací dutina. Jiný typ smršťovací dutiny u slitin s krátkým krystalizačním rozsahem se vyskytuje v horkém středu a v izolovaných „tlustých a velkých průřezech“, které nejsou správně přiváděny.

 

U slitin s dlouhým krystalizačním rozsahem obvykle vykazují stoupačky velmi malé smršťovací trubice. Vzhledem k režimu tuhnutí „suspenze“ může během části doby tuhnutí proudit pouze kapalina. V celém průřezu odlitku existují jemné a rovnoměrné smršťovací dutiny, koncentrované v pomaleji chladnoucích částech, jako jsou spoje a spodní část stoupačky. Za obecných podmínek odlévání není u slitin s extrémně dlouhým rozsahem tuhnutí, jako je cín nebo fosforový bronz, možné získat zcela hutné odlitky. Obvykle nemůže ztuhnout více než 60 % objemu kapaliny. Smršťovací dutiny tohoto typu kovu jsou rozloženy po celém průřezu odlitku.

 

Podávání odlitků​​​​​​​

Podávání slitin s krátkodobým tuhnutím:

Již dlouho je známo, že nezbytnou podmínkou pro výrobu hustých odlitků ze slitin s krátkodobým tuhnutím je, aby kov tuhl ve formě směrem od náběhového kanálu a postupoval k poslednímu tuhnoucímu náběhovému kanálu. Všechny dutiny pro kapalné a tuhnoucí smrštění zůstávají v náběhovém kanálu, zatímco odlitek je hustý. Tato forma kontinuálního tuhnutí, někdy nazývaná „sekvenční tuhnutí“, je definována jako zajištění toho, že čelo tuhnutí tvoří v podélném řezu profil zhruba ve tvaru písmene V, přičemž široký konec V směřuje k náběhovému kanálu. Toto teoretické schéma však není vždy dosažitelné při návrhu složitých odlitků a při stanovení dostatečných teplotních gradientů v celém odlévacím průřezu.

 

Obecně řečeno, pro efektivní podávání slitin s krátkou dobou tuhnutí musí být stoupací potrubí umístěno nad tepelným středem odlitku. Stoupací potrubí musí tuhnout později než odlévací sekce, kde se nachází, a musí obsahovat dostatek kovu pro kompenzaci smrštění slitiny v kapalném a pevném stavu.

 

Je třeba zvážit také rozsah podávání konkrétní slitiny. Rozsah podávání lze definovat, protože stoupačka může změnit teplotní gradient stejné odlévací sekce a podpořit postupné tuhnutí.

 

Podávání slitin s dlouhým dosahem tuhnutí:

Koncept postupného tuhnutí je méně relevantní pro slitiny s dlouhým dobou tuhnutí. U těchto slitin má pokus o zavedení postupného tuhnutí, zejména u tlustých odlitků, často za následek opačný efekt, pokud jde o hustotu, a to pouze koncentraci smršťovacích dutin v lokálních oblastech. To platí zejména pro slitiny s dlouhým dobou tuhnutí na bázi mědi. U těchto slitin vysoká tepelná vodivost slitiny zvyšuje obtížnost podávání. Vysoká tepelná vodivost v kapalné fázi pomáhá udržovat rovnoměrný tepelný gradient v tuhnoucím odlitku. Vysoké měrné teplo a skupenské teplo těchto slitin tuto situaci také zhoršují.

 

Cílem přidávání takových slitin obvykle není úplné odstranění smršťovacích dutin, ale zajištění jejich co nejrovnoměrnějšího rozložení v celé odlévací části. Praktickým příkladem jsou pouzdra z olovnatého bronzu. Ta se obvykle odlévají bez stoupacích potrubí, takže teplotní gradient by měl být co nejrovnoměrnější.

 

Pro stoupačky je nejlepší přivádět pouze tepelné a částečné smrštění tuhnutí, aby se zabránilo nadměrnému prodlužování doby tuhnutí.

 

Tyto slitiny v podstatě nemají žádný rozsah posuvu, takže za normálních podmínek lití je nemožné dosáhnout vysoké hustoty.

 

Závěr

 

Slévárenské slitiny zahrnují všechny mechanismy tuhnutí a citlivosti odlévání, z nichž mnohé nejsou z hlediska návrhu procesu ideální. Proto pouze důkladným pochopením termodynamiky a vlastností kapalin slitin s přístupem k řešení problémů mohou slévárenské pracovníky dosáhnout požadovaných trvale úspěšných výsledků.

 

Vigor má více než 20 let zkušeností a profesionální tým v oblasti slévárenských a kovacích procesů. Pokud vám s něčím můžeme pomoci nebo potřebujete vyvinout produkty, neváhejte nás kontaktovat na adrese info@castings-forging.com