CC BY
25
_ЛИТЕЙНОЕ ПРОИЗВОДСТВО _
Научный редактор раздела докт. техн. наук, профессор В.Ю. Конкевич
УДК 669.295
DOI: 10.24412/0321-4664-2021-1-51-53
ЗАПОЛНЕНИЕ ТИТАНОВЫМ РАСПЛАВОМ РАБОЧЕЙ ПОЛОСТИ ФОРМЫ В УСЛОВИЯХ ЦЕНТРОБЕЖНОЙ ЗАЛИВКИ
Виктор Сергеевич Моисеев, докт. техн. наук, Андрей Федорович Смыков, докт. техн. наук, Борис Леонидович Бобрышев, канд. техн. наук, Дмитрий Викторович Бережной, канд. техн. наук
Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет), Москва, Россия, moiseevvs@mail.ru
Аннотация. Рассмотрены вопросы, связанные с решением технологических задач по заполнению литейных форм расплавов титановых сплавов при их центробежной заливке. Проанализированы этапы движения расплава в форме и их влияние на качество будущей литой заготовки в зависимости от конструкций литниковых систем. Показаны основные проблемы при литье титановых сплавов и пути их решения.
Ключевые слова: центробежное литье, заполнение, титановые сплавы, фасонные отливки
Filling of the Working Cavity of the Mold with Titanium Melt at Centrifugal Casting.
Dr. of Sci. (Eng.) Vladimir S. Moiseev, Dr. of Sci. (Eng.) Andrey F. Smykov, Cand. of Sci. (Eng.) Boris L. Bobryshev, Cand. of Sci. (Eng.) Dmitry V. Berezhnoy.
Moscow Aviation Institute (National Research University), Moscow, Russia, moiseevvs@mail.ru
Abstract. The issues related to the solution of process tasks how to fill casting molds with titanium alloy melts during the centrifugal casting are considered. The stages of the movement of the melt within the mold and their influence on the quality of the produced cast bil^ are analyzed depending on the designs of the gating systems. The main problems in the casting of titanium alloys and the ways of their solution are shown.
Key words: centrifugal casting, filling, titanium alloys, shaped castings
Необходимость использования центробежного способа заливки титановых сплавов в холодные формы с вертикальной осью вращения объясняется высокой скоростью затвердевания отливки и образованием существенных газовых потоков при их формировании. Возникающие в процессе заливки центробежные силы позволяют получить необходимую скорость движения расплава в форме и создать в нем повышенное давление, необходимое для предупреждения образования газовой пористости в отливках.
Анализ известных конструкций литниковых систем, применяемых в промышленности,
показывает, что, несмотря на некоторые конструктивные отличия между собой, все они отвечают схеме течения расплава по каналам литниковой системы и рабочей полости формы, приведенной на рис. 1.
Согласно результатам исследований проф. Г.Л. Ходоровского и дополнительно проведенному видеоанализу на экспериментальной установке, в процессе заполнения формы в поле действия центробежных сил выделяют четыре этапа движения расплава (рис. 2).
На первом этапе в результате подачи расплава из тигля и потока в центробежный стояк начинается движение металла по радиаль-
Рис. 1. Схема течения расплава металла в тигле 1, лотке 2 и вращающейся форме (стояк - 3; радиальный литниковой ход - 4; рабочая полость формы - 5; прибыль - б): 01, 02, 03 - расходные характеристики тигля, лотка и стояка соответственно
ным литниковым ходам (ЛХ). При этом вследствие воздействия силы Кориолиса расплав течет по стенке ЛХ, обращенной к направлению вращения (см. рис. 2, а). Скорость движения головной части потока непрерывно растет, сечение потока сужается.
На втором этапе начинается процесс заполнения формы под действием напора металла в радиальном ЛХ, а на прилегающей к стояку части имеется участок безнапорного течения. Этот участок, как показывают результаты гидромоделирования, для литниковых систем с расположением формы выше радиального литникового хода (рис. 3, а) имеет место на протяжении не всего этапа заполнения рабочей полости формы. А для литниковых систем с расположением формы ниже радиального ЛХ (рис. 3, б) этот участок остается до полного заполнения формы.
На третьем этапе (при расположении формы выше радиального ЛХ) заканчивается заполнение рабочей полости формы и начинается заполнение прибыли. Этот этап характеризуется отсутствием безнапорного течения в радиальном ЛХ, т.е. происходит напорное
Рис. 2. Этапы заполнения формы при центробежной заливке:
а - начальное движение расплава по радиальному ЛХ; > - период безнапорного движения расплава по радиальному ЛХ и напорного
в рабочей полости формы; в - напорное движение на участке стояк - рабочая полость формы; г - окончание подачи расплава в стояк, заполнение остатками металла из стояка
движение расплава от стояка к форме. Здесь избыточное давление в потоке предупреждает «подсос» газов из головной части потока формы и подавляет выделение пузырьков газа из расплава. На этом этапе, в отличие от второго, исключается прерывность заполнения и
Рис. 3. Схемы литниковых систем для центробежного литья титановых сплавов с расположением отливки выше (а) и ниже (б) радиального литникового хода:
1 - стояк; 2 - радиальный литниковый ход; 3 - вертикальный литниковый ход; 4 - отливка;
5 - свободная поверхность (параболоид вращения) расплава
в момент начала заполнения рабочей полости формы;
6 - свободная поверхность (параболоид вращения) расплава
в момент окончания заполнения рабочей полости формы и прибыли
значительно снижается пульсация головной части потока расплава.
Четвертый этап характеризуется прекращением подачи расплава из потока. Течение расплава происходит за счет его избытка в стояке. На этом этапе заканчивается заполнение прибылей. Поэтому его характеристики мало влияют на вероятность образования дефектов, связанных с заполнением рабочей полости формы.
В процессе течения расплавов титановых сплавов по каналам холодной формы на ее стенках практически сразу образуется корка металла [2], которая в последующем в зависимости от температуры расплава и его количества, прошедшего через рассматриваемое сечение в процессе заливки, может либо проплавиться, либо непрерывно нарастать. Проплавление корки необратимо приводит к образованию пригара на поверхности отливки. Непрерывное увеличение толщины может привести к перемерзанию канала формы до ее заполнения расплавом. И то и другое ведет к образованию брака литья.
После заполнения формы расплавом происходит окончательное затвердевание отливки. При этом частицы твердой фазы, образующиеся в расплаве, перемещаются под действием центробежных сил в направлении к периферии формы от оси ее вращения, т.е. происходит центрифугирование. В результате этого изменяется направление затвердевания отливки, что следует учитывать при проектировании системы ее питания.
Таким образом, при литье титановых плавов существует ряд проблем, к числу которых относятся:
- безнапорное течение расплава по каналам формы, создающее пульсацию в потоке, что затрудняет заполнение формы и снижает качество отливки;
- возможность проплавления корки металла или перемерзание канала формы до ее полного заполнения расплавом;
- центрифугирование твердой фазы, приводящее к изменению направленности затвердевания отливки.
Экспериментальный анализ условий безнапорного течения расплава в каналах формы при различных частоте ее вращения и расходе в стояке затруднен. Поэтому необходимо создание таких математических моделей, которые с достаточной достоверностью описывают заполнение формы расплавом при указанных выше условиях, чтобы выбрать рациональный расход металла. Исключение же безнапорного течения расплава в форме может быть осуществлено изменением конструкции литниковой системы.
Расчет температурного потока расплава и толщин затвердевающей корки металла на поверхности формы позволит оптимизировать режимы заливки для титановых сплавов (температуру заливки сплава, частоту вращения формы) на этапе проектирования технологического процесса литья.
Расчетный анализ затвердевания узлов титановых отливок с учетом центрифугирования твердой фазы важен при проектировании системы питания и выборе ориентации отливки относительно оси вращения.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Братухин А.Г., Бибиков Е.Л., Глазунов С.Г., Моисеев В.С. и др. Производство фасонных отливок из титановых сплавов. - М.:ВИЛС, 1998. - 292 с.
2. Неуструев А.А., Бибиков Е.Л., Лебедев В.Б. Исследование тепловых условий формирования
поверхностного слоя титановых отливок / В сб.: Повышение качества и надежности литых изделий. - Ярославль: 1976. С. 133-138.
REFERENCES
1. Bratukhin A.G., Bibikov E.L., Glazunov S.G., Moi-seev V.S. i dr. Proizvodstvo fasonnykh otlivok iz ti-tanovykh splavov. - M.: VILS, 1998. - 292 s.
2. Neustruyev A.A., Bibikov Ye.L., Lebedev V.B.
Issledovaniye teplovykh usloviy formirovaniya pover-
khnostnogo sloya titanovykh otlivok / V sb.: Povysh-eniye kachestva i nadezhnosti litykh izdeliy. - Yaroslavl: 1976. S. 133-138.
