Усадка алюминия при литье - GazSnabStroy.ru
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд (пока оценок нет)
Загрузка...

Усадка алюминия при литье

Усадка литейных сплавов | 03.04.2012

Уменьшение линейных размеров и объема при охлаждении в результате сближения атомов металла называется усадкой. Различают объемную и линейную усадку в определенном интервале температур, выражаемую в %. Обычно объемную усадку связывают с уменьшением объемов при охлаждении и затвердевании жидкого металла, а линейную – при уменьшении линейных размеров слитков, отливок и изделий.

Рисунок 1 – Усадочные дефекты в слитке

При определении величины усадки важно правильно выбрать начальный объем жидкого металла . За время наполнения жидким металлом тела отливки часть его успевает закристаллизоваться и остыть. В результате наружная корка отливки уменьшит свои размеры и к моменту окончания отливки начальный объем жидкого металла будет меньше объема полости формы. Величина этого изменения объема зависит от линейной усадки затвердевшей корки и сил противодействующих ей. К ним относятся гидравлическое давление столба жидкого металла, термическое и механическое торможение усадки.

Линейная усадка определяется температурой начала ее проявления и коэффициентом линейного расширения. Экспериментально установлено, что линейная усадка начинается при образовании достаточно прочного скелета полузатвердевших кристаллов. Температуры, при которых это достигается, образуют на диаграмме состояния линию эффективного интервала кристаллизации. Указанный скелет полузатвердевших кристаллов образуется при 50-75 % твердой фазы в зависимости от состава стали.

Различают свободную и заторможенную усадку. Основным показателем сокращения размеров слитков и отливок в реальных условиях их затвердевания является литейная усадка, которая учитывает все виды торможения усадки. Различают термическое и механическое торможение усадки. Термическое торможение усадки вызвано различной скоростью охлаждения отдельных частей затвердевшего слоя металла. К примеру, при низком содержании углерода в стали торможение усадки достигает 25 %, снижаясь до 8 % при содержании 0,7 % углерода.

Результирующая усадка во многом определяется предусадочным расширением. К причинам предусадочного расширения относят:

  • сцепление едва затвердевшей корки с поверхностью формы и ее первоначальное расширение под действием силы сцепления;
  • скопление газов в междендритном пространстве в результате ликвации, которое может создавать давление, способствующее раздвижению кристаллов;
  • скопление неметаллических включений и газов на границе кристаллизации, увеличивающее кристаллизационное давление и способствующее увеличению периметра корки;
  • превышение сил капиллярного давления над силами сцепления между дендритами;
  • разогрев и расширение наружной корки слитка в момент образования зазора.

Учитывая предусадочное расширение при расчете полной свободной линейной усадки, удается объяснить расхождения экспериментальных данных при ее определении. С этой целью рекомендуется следующее выражение для ее расчета:

При увеличении предусадочного расширения компенсируется часть термических напряжений, что сокращает трещинообразование. Предусадочное расширение тем больше, чем шире интервал температур затвердевания. Снижение объема усадочных дефектов при этом достигается в результате выделения большого количества растворенных в стали газов в период образования значительной доли твердой фазы.
Линейная усадка взаимосвязана с интенсивностью теплообмена между формой и отливкой. С увеличением усадки образующийся зазор между отливкой и формой приводит к повышению теплового сопротивления и соответствующему снижению теплоотвода. В свою очередь уменьшение интенсивности теплообмена снижает градиент температур в затвердевшем металле, уменьшая скорость усадки и разность ее величины. При этом уменьшаются термические напряжения и связанные с ними процессы пластической деформации в затвердевшей корке.

Усадка обуславливает образование усадочных раковин, подусадочной и структурной рыхлости, различных трещин, зональной ликвации и других дефектов. Учет закономерностей, свойственных усадочным явлениям, позволяет разрабатывать соответствующие мероприятия по повышению качества отливок. Уплотнение структуры обеспечивается центробежным литьем.

Рисунок 2 – Процесс центробежного литья

Усадка при затвердевании зависит от изменения объема при переходе расплава из жидкого состояния в твердое и увеличивается с ростом интервала температур кристаллизации при охлаждении. Поэтому все элементы, расширяющие этот интервал, увеличивают усадку при затвердевании. По разным оценкам значения укладываются в интервал 0,020-0,053.

Значение коэффициента усадки играет важное практическое значение, так как определяет конкретные размеры стержневых ящиков и моделей, а также, в известной мере, величину припусков на механическую обработку и связанный с этим расход металла на изготовление отливки.

Важно отметить, что показатели линейной усадки наиболее рационально определять по замерам участков форм и отливок, расположенных горизонтально в период заливки и кристаллизации сплава. Протяженность таких участков начинает изменяться только после окончания процесса кристаллизации.

Из всего используемого при выполнении задания оборудования следует изучить прибор для измерения величины линейной усадки отливки. Конструкция прибора представлена на рисунке 1. В жесткой металлической раме 1 расположено тело песчаноглинистой формы 2 с рабочей полостью 3, включающей полости двух захватов – неподвижного 4, жестко связанного с рамой прибора, и подвижного 5. В передаточную планку 6, закрепленную на подвижном захвате, упирается ножка индикатора часового типа 7, фиксирующего перемещения захвата под действием усаживающегося образца.

Рисунок 1 – Конструкция прибора для измерения величины линейной усадки прямолинейней отливки

Усадка сплавов изменяется в зависимости от их химического состава. Так, усадка серых чугунов уменьшается с увеличением содержания кремния и углерода, а также при снижении содержания серы и марганца.

В алюминиевых сплавах увеличенное содержание кремния снижает усадку. Наличие магния и меди, наоборот, повышает усадку таких сплавов.

Увеличение содержания цинка и алюминия в магниевых сплавах снижает их усадку.

При получении отливок уменьшение их линейных размеров происходит при затрудненной усадке, которая вызвана выступающими частями формы, стержнями и т.д. Потому в ряде случаев действительная усадка меньше свободной. Такая усадка носит название литейной и выражается в %. Значение литейной усадки всегда меньше свободной. При этом разница тем больше, чем сложнее и крупнее отливка. В таблице 1 приведены значения усадки сплавов.

Таблица 1 – Примерные значения усадки сплавов

В зависимости от условий охлаждения сплава и его физических свойств объемная усадка при затвердевании может проявляться следующим образом:
а) как сосредоточенные внутренние полости (закрытые или выходящие на поверхность – открытые), расположенные в тех местах отливки, которые затвердевают в последнюю очередь (усадочные раковины);
б) только равномерным изменением внешних размеров;
в) образованием мелких полостей, которые рассеяны по толщине отливок возле отдельных зерен сплава; такие полости носят название усадочной пористости или рыхлоты.

При получении отливок из сплавов, которые имеют повышенную объемную усадку и образуют усадочные раковины (высокопрочные чугуны, стали), на массивных и верхних частях отливок предусматривают прибылиполости жидкого сплава, которые питают отливку при ее затвердевании и восполняют сокращение ее объема. Расположение и размеры прибылей должны быть выбраны так, чтобы они затвердели в последнюю очередь и именно в них локализовались усадочные раковины.

Рисунок 4 – Схема установки прибылей на отливках

Назад
«Спецкрепеж»
Каталог

Вся продукция имеет необходимые сертификаты соответствия,
сертификаты качества изделия и технические паспорта.

Перечень услуг представлен в соответсвующем разделе

Брак литья алюминия

Два источника брака

Источниками брака при литье алюминия являются два явления, которые могут действовать как каждый отдельно, так и совместно:

  1. Постоянное, прогрессирующее окисление алюминиевого расплава и насыщение его водородом.
  2. Уменьшение удельного объема алюминия при его переходе из жидкого в твердое состояние.

Три типа дефектов затвердевания в отливках

Рисунок 1 – Три типа дефектов затвердевания в алюминиевых отливках:
газовая пористость, усадочная пористость, горячие разрывы и трещины [1]

Окисление и насыщение водородом

В результате непрерывного окисления алюминиевого расплава и насыщения его водородом в алюминиевой отливке возникают следующие дефекты, которые являются причинами брака готовых отливок:

  • поры;
  • насыщение воздухом;
  • включения;
  • нарушение герметичности;
  • поверхностные дефекты;
  • низкая прочность;
  • низкая пластичность.


Рисунок 3 – Выделение водорода в алюминиевых отливках [1]


Рисунок 4 – Водородная пористость [1]

Меры по предотвращению дефектов

Для предотвращения или ослабления влияния окисления и насыщения водородом принимают следующие меры:

  • обработку металла в печи и его дегазацию;
  • жесткий контроль температур плавления и литья;
  • фильтрование расплава.

При переходе алюминия из жидкого в твердое состояние растворенный в нем водород выделяется и во взаимодействии с оксидами создает проблемы с пористостью в готовых отливках.

Главной задачей при обеспечении высокого качества алюминиевого расплава является поддержание скорости окисления расплава в определенных рамках. Для этого предпринимаются следующие действия:

  • высокое качество исходных чушек;
  • современное литейное оборудование и технологии литья;
  • контроль загрузки шихты (сухая шихта, быстрое расплавление);
  • контроль температуры при плавлении и литье;
  • очистка расплава и контроль качества расплава;
  • меры безопасности при обработке и транспортировке расплава и его разливке.

Усадка

Из-за уменьшения удельного объема алюминия при его затвердевании могут возникать следующие дефекты, ведущие к браку литейной продукции:

  • раковины;
  • усадка;
  • насыщение воздухом;
  • нарушение герметичности;
  • низкая прочность и пластичность.

Для предотвращения или ослабления влияния уменьшения удельного объема алюминия при его затвердевании принимают следующие меры:

  • оптимальное размещение литниковой системы;
  • температурный контроль процесса затвердевания;
  • измельчение зерна;
  • применение модификаторов сплава.

Уменьшение удельного объема при переходе алюминиевого сплава из жидкого в твердое состояние может приводить к уменьшению объема— в зависимости от литейного сплава — до 7 %. При неблагоприятных условиях часть этой разницы в объеме может быть причиной брака литых алюминиевых изделий — усадочных полостей, пор или разрывов.


Рисунок 5.1 – Образование макропористости в алюминиевых отливках [1]


Рисунок 5.2 – Пример образования макропористости [1]

Для того, чтобы получить хорошую отливку необходимо обеспечивать возможность поступления дополнительного жидкого металла к усаживаемой микроструктуре в течение всего процесса затвердевания отливки.

При литье под давлением это обеспечивают путем повышенного давления расплава, а при гравитационном литье — за счет высоты прибыльных надставок.

Влияние типа затвердевания

Важен также тип затвердевания. В алюминиево-кремниевых сплавах — эвтектических силуминах с содержанием кремния около 13 % при затвердевании сразу образуется твердая оболочка. По другому происходит затвердевание в доэвтектических силуминах, а также в алюминиево-магниевых сплавах и сплавах с легированием медью: сначала образуется дендритная структура, а затем затвердевают остальные компоненты с более низкой температурой затвердевания.

Влияние системы литья

В гравитационном литье, к которому относится, например, литье в кокиль, подачу расплава в литниковую систему производят в самом критическом или «толстом» участке отливки. Не контролируемое или турбулентное наполнение полостей литейной формы имеет отрицательное влияние на качество отливки.


Рисунок 6 – Захват воздуха при неправильной литниковой системе [1]

Литниковая система, которая позволяет контролировать движение фронта затвердевания от дна формы до входа в литниковую системы является очень полезной для качества отливки. В хорошей системе литья заполнение формы начинается с ее нижней части и всегда так, чтобы слои нового горячего металла «ложились» на нижние, уже затвердевшие слои.

Система литья такого типа может частично компенсировать негативное влияние, которое оказывает объемное сокращение алюминия при его затвердевании и в то же время направлять расплавленный металл в форму таким образом, чтобы избежать нового его окисления из-за турбулентности течения.

Литье алюминиевых деталей в домашних условиях по пенопластовой модели

Тема раздела Механика станков CNC, самодельные проекты в категории Станки ЧПУ, Hobby CNC, инструмент; Тема поднималась многократно но почти везде исключительно текст. решил разбавить фото/видео-материалами. итак в 2-х словах: МАТЕРИАЛ МОДЕЛИ “пенопласт” (пенополистирол) понятие .

Опции темы

Литье алюминиевых деталей в домашних условиях по пенопластовой модели

Тема поднималась многократно но почти везде исключительно текст. решил разбавить фото/видео-материалами.

итак в 2-х словах:

МАТЕРИАЛ МОДЕЛИ
“пенопласт” (пенополистирол) понятие очень емкое. я перепробовал несколько типов пенопласта плотностию 35 (оранжевый пеноплекс, голубой, кислотно-желтый) – все они обладали достаточно крупными порами и давали плохое качество поверхности независимо от скорости резки и температуры нихромовой струны. самый большой косяк этих пенопластов – КОРОБЛЕНИЕ: они все загибались саблей.
styropor’а найти не удалось но ценник в 1200руб/100мм_лист отпугнул сразу.

случайно на строительном рынке мне попался пенопласт URSA XPS и я до сих пор не нарадуюсь: у него микроскопические поры и его практически не ведет при резке. рекомендую.

итак сделал модель и приклеил литник (приклеил парафином):

сделал корку из затирки Atlas:

приспособы для литья: модель, кастрюля с просеянным речным песком и медная труба разрезанная вдоль:

залил алюминий, дождался пока остынет и извлек отливку:




как видно на фотках алюминий не пролился.
причин несколько:
(1) безграмотный литник с узким переходом на 2 “усика”
(2) перед заливкой отключил печь и алюминий остывал в течение минуты
(3) заливочная труба – МЕДНАЯ. она моментально отобрала тепло у алюминия и поэтому алюминий тек уже холодным и застыл по пути.

на следующий день я учел все ошибки и отлил-таки кронштейн:

поверхность получилась выше всех похвал – превосходная детализация и повторение рельефа пенопластовой модели.

видео всего процесса от “идеи” до “натуры”:

Все лишнее потом просто ножовкой спиливали?

Не подскажете, что это такое?

Заполнитель швов керамической плитки, бывает разных цветов.

Жестяная консервная банка будет лучше?

(1) пока еще не спиливал – не успел. отпилю болгаркой
(2) Atlas – да, это затирка для плитки. думаю не принципиально какую использовать. dj_smart кажется использовал другую.
(3) я не пробовал с жестяной банкой но думаю что тонковато будет. я использовал вообще трубу из черной стали со стенкой 2-3 мм но она почти сразу раскалилась от алюминия докрасна.

еще важный момент: УСАДКА алюминия.
оригинальная ширина кронштейна у меня – 148мм. пенопластовая модель тоже была 148мм. отливка же – 146мм. другие размеры не снимал.
в общем нужно изучить вопрос усадки алюминия и понять в каких направлениях и насколько металл усаживается. пока это не изучал.

Ну если в среднем идет усадка по 2 мм., то давать припуск на пенопластовой модели в теже 2 мм. и чуть больше. Дучше потом немного фрезернуть.

У Вас деталь первый раз не пролилась по двум причинам – слишком узкая медная трубка и высокий литник. Алюминий легкий, и сам по себе не особо заполняет модель, тем более что на пути встречает препядствие со стороны газа, выделяющегося при сгорании пенопласта (например, при тех же условиях в кокиль деталь бы отлилась), поэтому нужно используют кусок трубы диаметром порядка 100 мм да высотой порядка 150 мм, при этом на удивление проливаемость станет на порядок выше и плотность отливки в разы лучше. Этот вывод сделал на личном опыте, когда труба для прибыли была диаметром 80 мм и высотой порядка 100 мм.
Что касаетс пенополистирола – то синий это самый атвротительный из тех что встречал я, его неимоверно коробит и не только от пенореза, но и от всякого реза видимо по той причине, что он имеет как бы две спеченые стороны, каждая из который стремится сжаться. Больше всего мне понравился (фирмы не знаю) такой слегка бежевый, у него одна сторона как бы идеальная, а вторая не совсем, , и поверхности у него более мягкие – вот с ним работать приятно и выгорает он лучше в смысле алюминий быстрей течет в форму.
Кстати – слишком толстая оболочка – при литье огонь будет шуровать из отливки в сторону литника, потому что газам деваться некуда, а это значит, что внутри отливки возможны поры.

2 sfi: медная труба такого же диаметра как и стальная при второй заливке = 60мм кажется.
насчет длинного литника – учту, спасибо
насчет толстой корки – тоже учту, тоже спасибо
но проницаемость корки оказалась вполне достаточной – весь песок пропитался отвратительным запахом стирола.

ВНИМАНИЕ: почему-то видео из первого поста не открывается прямо из форума.
вот прямая ссылка: www.youtube.com/watch?v=jYjaN0-KxUQ

Последний раз редактировалось ШВЕД; 29.11.2010 в 11:54 .

Я к чему о диаметре трубы для прибыли то заговорил – по законам гидравлики: чем больше площадь поверхности (а в данном случае она зависит в кадратической зависимости от диаметра (радиуса) трубы: П*R*R/2), тем сильнее будет создаваться давление в литнике.
Что касается обмазки, то она действительно имеет хорошую газопроницаемость, но чем толще слой, тем она становится ниже, т.е. газопроницаемость есть, но хуже, что негативно сказывается на качестве отливок (загазованность и как результат – могут быть внутренние дефекты раковины).
А песок после литья действительно пахнет просто отвратительно, а тот который использовал много раз, даже сеять без распиратора затруднительно. Собираюсь, если Бог даст дожить, в следуюущем году песок помыть, да еще и с каким-нибудь фэри, т.к. от этих газов он стал как бы немного жирноват что-ли.

Федор, а не подскажете еще нюанс по усадке: усадка отливок линейна во всех направлениях?
мне требуется еще отлить платформу шпинделя:

хотелось бы правильно заложиться на усадку чтобы отливка попала в нужные размеры и не требовала фрезеровки. (нету доступа к фрезерам)

По цифрам ничего конкретного не подскажу, однако когда лил станину то получил следующее:
длина модели была 602 мм – отливка получилась где-то 596-597 мм, по ширине к сожалению не мерил ни отливку ни модель, потому что изначально под обработку закладывал значительный припуск.

Какие по этому поводу имеются соображения, считаю, что большую роль играет все же давление создаваемое в литнике, т.к., например, при литье методе литья под давлением усадка почти никакая, соответственно, если мы просто залили метал в форму колличеством достаточным только для ее заполнения, но давящего столба нет, и прибылей на массивных частях отливки нет, то и усадка будет на удивление большой. Полагаю более точно получится что-либо определить только эмперическим путем, либо просто кто-то опытный может чего-либо дельного подскажет.

Одно скажу, если платформа длинная и лить собираетесь вертикально, то очень равномерно вокруг засыпайте ее песком, а потом желательно повибрировать, либо хотя бы хорошо обстучать я даже не знаю как ее при таком методе литья назвать то – емкость или все же опока.
Второе – верх модели сделайте на несколько сантиметров длинее, потом лучше отпилить) эти несколько сантиметров послужат Вам как прибыль, сюда же поднимится и возможный шлак и пузыри, который по тем или иным причинам не вышли из формы. Второй вариант (хуже первого однозначно) – поставить сверху две прибыли по углам – иначе углы 100% хорошо не прольются, а если и прольются, то при усадке осядут, т.к. послужат прибылью нижним слоям формы.
Если будете лить эту деталь горизонтально, то для удоволетворительной отливки минимум сделать на всех углах прибыли, а те который удалены от литника – поболее, перед засыпкой на дне емкости хорошо выравнить слой песка в плоскость (если модель длинная конечно, потому что короткая особо то и не деформируется), положить деталь и засыпать песком. Иначе когда начнете вибрировать емкость слой песка сверху продавит модель и результат будет уже не столь приятным как мог бы быть. При горизонтальной засыпке форму особенно хорошо повибрировать или потрусить, чтобы песок хорошо сселся и не просел или того хуже рухнил во время заливки метала.
Ну вот теперь наверное все написал об ошибках с которыми приходилось встречаться.

Литьё алюминия в домашних и промышленных условиях

Литьё алюминия в домашних условиях — это процесс, который может быть под силу домашнему мастеру, однако выполнять его нужно в соответствии с определенной методикой. Нужно знать особенности самого материала и понимать, как правильно с ним работать.

Особенности алюминия

Алюминий — материал, широко применяемый в разных видах промышленности, подходит он и для домашнего литья. Его преимущества такие:

  1. Универсальность в применении;
  2. Хорошие эксплуатационные характеристики;
  3. Относительно небольшой вес;
  4. Высокие показатели по пластичности и ковкости.

Есть у него и недостатки. В частности, некоторым видам обработки металл поддается плохо.

Процесс литья

Благодаря литью можно быстро сделать на основе алюминия различные приспособления для бытовых или промышленных нужд.

Процесс может выполняться под давлением или с применением форм. В первом случае потребуются:

  1. Специальное оборудование;
  2. Специализированные технологические знания;
  3. Пресс-формы.

Также процесс выполняют и с использованием обычных форм, которые изготавливаются на основе специальной самодельной смеси. Технологию производства освоить достаточно просто. Алюминий имеет высокую пластичность, благодаря чему может приобретать любую форму. Его температура плавления составляет более 600 градусов.

Раньше для изготовления алюминиевых деталей использовали формы, которые вставлялись в землю, затем стали применяться гипсовые самодельные. Сейчас существуют специальные пресс-формы, из которых изготавливают детали под давлением.

На крупных предприятиях литье осуществляется под большим давлением и усадка практически отсутствует. Для работы применяют специальные машины и оборудование. Технологический процесс достаточно сложный:

  1. Нужное рабочее давление создается благодаря работе поршня, а он приводится в работу посредством сжатого воздуха;
  2. Ускорению движения способствуют масло и эмульсия;
  3. Материал, разогретый до температуры плавления, быстро попадает в пресс форму под давлением и целиком ее заполняет.

Изделия, которые производятся таким способом, редко имеют какой-либо брак и обладают высокой точностью. Подобная технология актуальна при изготовлении деталей для авиастроения и приборостроения. Пресс-формы позволяют применять расплавленный металл любой температуры.

Необходимое оборудование

Чтобы изготовить алюминиевые детали разного назначения с высокой точностью под давлением, потребуется специальное оборудование: автоматическая машина и прочные пресс-формы. Для литья алюминия их обычно делают на основе стальных сплавов.

Их поверхность отливки должна быть почти идеальной, не допускаются никакие искажения геометрической конфигурации и размера. Пресс-форма должна быть оснащена механизмом, благодаря которому из нее готовую деталь можно будет извлечь без труда. Помимо этого, в ее составе должны присутствовать и подвижные стержни из металла, с помощью которых образуются внутренние полости заготовок.

Будущим изделиям, которые вы будете заливать в специальные формы, потребуется придать ту или иную конфигурацию, которые преимущественно зависят от самих форм. В таком литейном процессе также используются специализированные машины и прочее оборудование.

Литейные машины могут иметь холодную или горячую камеру, в которой осуществляется процесс прессования форм. Обычно машины с горячей камерой для плавки металла применяются для изготовления сплавов преимущественно на основе цинка. Нужное давление в них нагнетается благодаря применению поршня или сжатого воздуха. Под давлением расплавленная смесь медленно вытесняется вовнутрь предварительно приготовленных пресс-форм.

А машины, где применяют холодное давление, в основном используются тогда, когда потребуется сделать отливки с добавлением медных и магниевых сплавов. Расплавленная смесь в таком случае в процессе литья попадает вовнутрь форм под очень большим давлением, иногда оно может составлять около 700 мегапаскаль.

Благодаря литью под давлением можно в плане производительности достичь высоких показателей, также не нужно будет детали подвергать дополнительно механической обработке. Машины отличаются по моделям в зависимости от своих рабочих параметров.

Производство форм

Специальные литейные машины в домашних условиях практически не используются. Это не целесообразно не только в отношении больших затрат на их приобретение, но и потому что процесс достаточно сложный в техническом плане. А еще оборудование, которое работает под давлением, очень габаритное.

В домашних условиях выплавляемым изделиям на основе алюминия требуемая форма придается ручным способом. Форму при этом тоже можно сделать самому. Многие домашние мастера применяют методику литья «в землю», благодаря которой можно в итоге получить необходимые алюминиевые детали без специального оборудования.

Моделям форм, с которыми приходится работать, вы сможете придать определенную конфигурацию, причем сами формы изготавливаются на основе подручных материалов своими руками. В частности, форму можно получить из простого цементного раствора. В такой ситуации выплавляемой заготовке можно придать прямоугольную или квадратную форму. В интернете можно отыскать видеоуроки, как правильно залить алюминий в цемент.

Для литья нередко применяются гипсовые формы. Гипсовым моделям в такой ситуации можно придать почти любую конфигурацию. Очень важным показателем при работе с формами является усадка материала. При его застывании он должен быть минимальным.

Под заливку алюминия моделям можно придать желаемую конфигурацию благодаря применению воска. Но здесь нужно сказать, что посредством воска можно изготавливать на основе алюминия только небольшие детали. Благодаря ряду эксплуатационных характеристик восковым моделям можно будет придать даже сложные конфигурации, но изготовить детали таким способом можно только один раз.

Литейным методом можно с легкостью изготавливать детали на преимущественно дюралевой основе. Дюраль — это материал, состоящий преимущественно из алюминиевого сплава с рядом других компонентов. Но нужно знать, что заготовки, которые выплавляются на его основе, застывают долго.

Модели, которые используются под литье металла, должны обязательно быть подготовлены: их потребуется очистить и нанести масло в качестве смазки.

Алгоритм работы в домашних условиях

Изготавливать алюминиевые детали литейным способом дома не так уж и сложно, для процесса не потребуется дорогое специальное оборудование. Те модели, которые будут принимать участие в литейной работе, потребуется очистить сверху и смазать изнутри. Подготовка потребуется и тогда, когда вы практикуете метод литья «в землю». Обязательно проконтролируйте, чтобы технологическое углубление по своим контурам строго соответствовало контурам будущей детали.

Как говорилось, усадка расплавленного алюминия является немаловажным параметром при работе. При выполнении заливки она должна быть минимальной, иначе деталь по размерам не будет соответствовать тем, которые были заданы.

С той целью, чтобы при застывании металла усадка имела минимальный показатель, на форме нужно будет выполнить незначительный глиняный кант, по который в нее и заливают расплавленный алюминий.

С целью расплавления металла обычно применяется емкость из стали и специальная печка. При этом при выполнении работы не стоит забывать и о правилах по технике безопасности. В случае если вы решили заниматься литейным процессом дома, нужно соблюдать правила личной безопасности. Обязательно надевайте специальную одежду, которая будет защищать кожу от возможных ожогов.

Ниже были рассмотрены ключевые аспекты, связанные с процессом литья алюминия как в промышленных, так и домашних условиях. Как видите, заниматься этим дома может каждый, для работы не потребуется дорогое оборудование, с помощью подручных средство можно научиться изготавливать всевозможные алюминиевые детали прямо не выходя из дома.

ТехноБлог Dimanjy

Изготовление литейных форм для литья алюминия

Я уже немного рассказывал в своем ТехноБлоге Dimanjy про плавку алюминия в домашних условиях, но сама по себе плавка алюминия не является самоцелью. Наша цель — отливка деталей из алюминия, а для этого нужно сперва изготовить так называемую литейную форму. Литейные формы для литья алюминия могут изготавливаться из множества различных материалов. На промышленных предприятиях для крупносерийного производства обычно применяют металлические литейные формы, но изготовить такую в домашних условиях своими руками крайне проблематично, особенно для сложной детали. Поэтому самым благодарным материалом для изготовления литейных форм для литья алюминия в домашних условиях является гипс. Именно о нем и пойдет речь в данной статье.

Подходящий гипс для самостоятельного изготовления литейных форм можно найти практически на любом строительном рынке или даже в хозяйственном магазине по доступной цене. Наилучшей маркой гипса является Г-16, но это уже скульптурный гипс, и найти его трудно. В магазинах обычно можно найти белый гипс марки Г-7. Стоит, однако, предупредить, что вместо гипса вам могут предложить алебастр. Алебастр не подходит для изготовления форм для литья алюминия! Нужен именно белый гипс.

Итак, все, что нам потребуется для изготовления нашей первой литейной формы — это гипс Г-7 (для начала хватит даже мешка 3 кг ценой

60 рублей), пачка обычного пластилина из детского магазина, немного плотного картона и скотч, а также небольшие листы оргстекла или какого-либо пластика для изготовления опалубки (подойдет даже ламинированная ДСП или фанера; главное, чтобы гипс хорошо от нее отходил). Также нам потребуется несколько парафиновых/стеариновых (или из чего их там делают) свечей для изготовления модели самой детали, которую мы будем отливать из алюминия. Я купил себе целый пакет (штук 20, наверное) свечей в соседнем хозяйственном магазине.

Материалами запаслись — приступаем к делу. Сперва нужно изготовить модель нашей детали, для которой мы будем делать литейную форму. Модель детали — это точная копия будущей детали из алюминия, только сделанная из другого материала. Самый простой и доступный способ — вырезать модель детали из парафина/стеарина (в общем, из растопленной свечки). Этот материал вполне неплохо держит форму и очень легко обрабатывается любым инструментом. Кладем нужное количество свечей в обрезанную сверху банку из под пива (да, забыл включить литрушечку пивка в перечень материалов ) и заправляем все это в нашу муфельную печь. (Как, вы еще не обзавелись муфельной печью?! Скорее идем по ссылке на ТехноБлог Dimanjy и делаем муфельную печь своими руками!).

Надо сказать, что процесс растопки свечей в 4-ех киловаттной муфельной печи без терморегулятора — это тот еще геморрой! Нужно сидеть и постоянно включать и выключать печку, чтобы спираль ТЭНа не успела разогреться до 1000°C. Настоятельно рекомендую — обзаведитесь терморегулятором для своей муфельной печи — сэкономьте электроэнергию, а главное — свои нервы!

После того, как свечи расплавятся, вынимаем банку из муфельной печи и даем ей немного остыть. Свечи сейчас слишком горячие и слишком жидкие — как водичка. Они будут оставаться жидкими и при более низкой температуре, а пока они остывают, мы как раз успеем изготовить из картона коробочку, в которую выльем наш парафин/стеарин. Стенки коробочки плотненько обматываем скотчем, чтобы она случайно не раскрылась. Стараемся заклеить все щели, иначе вся наша свечка вытечет через них. Если это случится, то соскребаем свечку с пола и плавим ее заново в нашей муфельной печи. Не беда, если в свечку попадет мусор — он весь осядет на дне пивной банки.

Выливаем расплавленные свечи в нашу картонную форму и даем ей остыть. Остывает свеча очень долго. Даже если кажется, что все затвердело, внутри парафин/стеарин может быть еще жидким. Я заливал свечу вечером и лишь на следующее утро приступал к изготовлению модели детали. Хотя, конечно, все зависит от размеров.

Также нужно помнить, что при застывании свечи дают очень заметную усадку. Посреди формы образуется глубокая воронка. Поэтому растапливайте свечи с большим запасом, потому как очень многое потом придется обрезать для получения ровного прямоугольного брусочка.

Получив таким образом парафиновый кирпичик, можно приступать к изготовлению модели нашей будущей детали. Т.к. парафин очень мягкий, то его можно резать даже детскими пластмассовыми резцами, которые можно купить в магазине игрушек рядом с пластилином и пластиком для лепки. Также незаменим в этом деле обычный ножичек.

Сразу хочу предупредить, что процесс вытачивания модели будущей алюминиевой детали из парафина вручную крайне трудоемкий и требует большой выдержки и сноровки. И даже счастливые обладатели прямых рук, потратив целый день на выпиливание, могут быть слегка разочарованы — точную деталь вручную вырезать практически нереально! Если же вы хотите изготовить некую скульптурную композицию, то тогда ручной труд оправдан, ведь вы вкладываете в изделие частицу своей души, да и природа не терпит прямых линий. Однако для изготовления алюминиевых деталей технического назначения лучше использовать более точную технику. Например настольный станок с ЧПУ (числовым программным управлением), который способен вытачивать сложнейшие детали с высокой точностью. Все, что от вас потребуется — это просто нарисовать деталь на компьютере.

Получив парафиновую модель нашей будущей детали, мы, наконец, приступаем к изготовлению литейной формы для литья детали из алюминия. Для этого вокруг модели нужно сгородить опалубку из листов оргстекла, склеив их пластилином и промазав им же все швы.

На дно получившегося «аквариума» помещается модель детали. Очень желательно ее также прикрепить ко дну небольшим пластилиновым шариком, иначе выливаемый в опалубку раствор гипса может сместить модель, и форма получится кривая (у меня сперва так и получилось).

Все готово к заливке гипса. Замешивать гипс можно в старой кастрюле. Воды нужно добавить ровно столько, чтобы получить консистенцию очень жидкой сметаны или кефира. Помним, что гипс очень быстро начинает схватываться, поэтому делать все нужно достаточно бодро. Важно точно прикинуть количество гипсового порошка, чтобы при заливке наша модель полностью погрузилась в гипс. Если не хватит раствора, то домешивать и доливать крайне не желательно. Форма тогда получится неоднородной, а то и вовсе развалится. Лучше сразу намесить немного лишнего — гипс не такой дорогой, чтобы его экономить.

Итак, выливаем гипсовый раствор в недра нашей опалубки. Для наглядности я прилепил сбоку небольшую пластилиновую полоску, чтобы было видно, до какого уровня нужно заливать гипс. После заливки нужно хорошенько потрясти «аквариум», чтобы из раствора вышли лишние пузыри и гипс заполнил все полости и закутки нашей парафиновой модели. Некоторые для этого используют специальный вибрационный стол. Для его изготовления подойдет обычный электродвигатель с болванкой на валу, установленной со смещением центра тяжести. Но я просто потряс опалубку руками, т.к. делать вибростол мне пока лень, да и нет времени.

Гипс уже через несколько минут начинает схватываться, поэтому слишком долго трясти нельзя. Отвердевающий гипс начинает нагреваться под действием химической реакции. Разбирать опалубку можно уже тогда, когда этот нагрев пойдет на спад. Но лучше не торопиться и просто подождать, когда поверхность гипса остынет — это не займет много времени.

После разборки опалубки края получившейся литейной гипсовой формы желательно обработать ножиком, чтобы они приняли гладкую округлую форму.

Следующим этапом в изготовлении гипсовой литейной формы будет вытапливание парафина/стеарина, который остался закован в гипсе. Для этого можно гипс разогреть до температуры плавления свечки, и она вытечет в поддон, на который необходимо положить форму. Но есть более надежный способ, хотя и не самый «чистый» — кипячение гипсовой формы в воде, при котором весь парафин/стеарин всплывает на поверхность воды, как жир в супе. Этот способ практически исключает неполное вытапливание свечки и полностью очищает внутреннюю поверхность гипсовой формы от парафина/стеарина, однако мыть потом кастрюлю замотаешься!

После вытапливания свечки гипсовую форму можно сразу начинать активно сушить. Для сушки гипсовых форм можно воспользоваться обычной кухонной духовкой или же использовать муфельную печь, но только исключительно с терморегулятором! Если сушить гипсовые литейные формы в муфельной печи без терморегулятора, то тонкие части формы могут попросту перегореть и осыпаться, как показано на рисунке ниже.

В общем, в работе со своей муфельной печью я неоднократно убедился, что без хорошего терморегулятора мне не обойтись. Именно поэтому первое изделие, которое я решил выплавить из алюминия — это корпус для терморегулятора муфельной печи, который будет одновременно радиатором для силовых симисторов, управляющих ТЭНами.

Как бы то ни было, но моя первая гипсовая форма для литья алюминия готова. Позднее я подробнее расскажу о тех граблях, которые возникают при литье алюминия в гипсовые формы, по которым мне лично довелось пройтись. Надеюсь, это поможет вам избежать моих ошибок.

В общем, следите за обновлениями!

Обновление на ТехноБлоге Dimanjy!

На практике делать формы из чистого гипса нельзя! Дело в том, что в затвердевшем гипсе на молекулярном уровне заперта вода, которую никаким нагреванием не выпарить. При заливке алюминия в такую гипсовую форму вода начинает в любом случае высвобождаться и алюминий начинает бурлить, что сильно портит выплавляемую деталь.

На рисунке видно, что из абсолютно сухой (на вид) формы сразу после заливки начинает сочиться вода и идти пар. Это может быть очень опасно, если вы забыли надеть защитные очки. Алюминий также начинает булькать и выплескиваться из формы. А далее видна отлитая с таким бурлением деталь. Газы в итоге не только испортили поверхность, но и проделали довольно большую воронку. Кроме того, если сделать надпил в такой детали, то мы также сможем столкнуться со следами внутренней газификации алюминия — большое число раковин, неравномерная структура. Одним словом — брак. Такое годится только для не ответственных деталей, там, где потом можно зашпатлевать и закрасить.

А вот и рецепт, который позволит избежать такого нежелательного эффекта: при замесе гипсового раствора нужно просто добавить 50% мелкого песка.

Литье пластмасс под давлением

Выявление деформации является одним из самых простых аспектов литья под давлением. Понимание причины немного сложнее. Вот подробный обзор источников искривления и способов его предотвращения.

Любой, включая обычного потребителя, может определить, когда деталь, которая должна быть плоской по идее, искривлена или изогнута сразу после изготовления. Если эта деформированная деталь была изготовлена методом литья пластмасс под давлением, это означает, что могла бы быть возможность уменьшить или даже предотвратить непреднамеренное изгибание.

Первый шаг – понять, почему деталь деформируется, что является сложной задачей, но очень важной для устранения этой проблемы. Изучение концепций, лежащих в основе пластического деформирования, может привести к разработке подхода к его уменьшению. Инженеры могут проверить эти решения до того, как производитель начнет резку литейной стали.


Пластичная усадка

Усадка материала во время и после изготовления играет важную роль в том, почему литые пластмассовые детали деформируются. Прежде чем мы углубимся в искривление деталей, важно понять, как и почему пластичные материалы сжимаются. Чтобы сделать это, мы должны начать с молекулярного уровня, внимательно изучив, что происходит, когда пластик плавится и остывает. По большей части характеристики плавления и охлаждения зависят от типа полимера и наличия какого-либо наполнителя или армирующего волокна.

Один тип полимера определяется как аморфный, который включает материалы, такие как АБС-сополимер, полистирол и поликарбонат, среди других. Они имеют рандомную и запутанную молекулярную ориентацию в своем естественном состоянии, очень похожую на миску спагетти. По мере того как эти материалы плавятся, силы между молекулами ослабевают и они удаляются друг от друга. Кроме того, сдвиг, испытываемый во время фазы впрыска (который похож на трение), заставляет отдельные молекулы раскручиваться и выравниваться по направлению потока. Когда поток останавливается, молекулы расслабляются и возвращаются в состояние произвольной ориентации. Межмолекулярные силы притягивают их ближе друг к другу, пока температура не упадет настолько, чтобы они замерли на месте. Эти силы приводят к равномерной усадке, но эффект релаксации вызывает большую усадку в направлении потока.

В отличие от аморфных материалов, полукристаллические материалы имеют области высокоупорядоченных, тесно связанных молекулярных структур. Когда они расплавляются, кристаллические структуры разрыхляются, и молекулы выравниваются по направлению потока, подобно аморфным полимерам. Но когда материалы остывают, они не расслабляются. Вместо этого они сохраняют свою ориентацию в направлении потока, и молекулы начинают рекристаллизоваться, что приводит к значительно более высоким скоростям усадки. В этом случае, однако, эффект намного больше в направлении, перпендикулярном потоку.

Волокна часто объединяют в полимерный материал для придания прочности и других свойств. Когда волокна вводятся в пластик, они могут противодействовать эффектам усадки из-за молекулярной ориентации, описанной выше. Волокна не растягиваются и не сжимаются при изменении температуры, поэтому наполненные волокном материалы, как правило, будут испытывать уменьшенную усадку в направлении их ориентации.

Здесь представлена усадка растягивающейся планки из полипропилена без стекловолокна в двух местах отверстий: конец части (детали) (слева) и центра части (детали) (справа).

Здесь представлена усадка полипропиленовой растягивающей планки со стекловолокном в двух местах отверстий: конец части (детали) (слева) и центра части (детали) (справа).

Как уменьшить усадку

Основная причина деформации кажется простой: изменения в усадке. Проще говоря, если деталь сжимается совершенно равномерно во всех направлениях, она становится меньше, но сохраняет правильную форму. Однако если какой-либо элемент детали сжимается с другой скоростью, чем остальные элементы, разница создает внутренние напряжения. Если эти напряжения превышают структурную целостность детали, деталь будет деформироваться при извлечении из формы.

Изменение усадки отлитой под давлением детали.

В общем, есть четыре варианта усадки:

Она происходит, когда степень усадки изменяется на участке между участками, ближайшими к отверстиям, и участками, ближайшими к концу заполнения (EOF); обычно эта разница находится между более толстой (область затвора) и более тонкой (EOF) областями детали. Один участок сокращается существенно больше, чем другой.

При взгляде на поперечное сечение детали эта разница в усадке возникает, когда усадка в верхней части отличается от усадки в нижней части. Эта разница может привести к изгибу детали, потому что одна сторона способна сжиматься больше и, как результат, будет меньше по сравнению с другой стороной.

Из-за выравнивания молекул или ориентации волокон различия в усадке могут возникать как параллельно, так и перпендикулярно ориентации материала или направлению потока. Как упоминалось ранее, аморфный материал имеет тенденцию к усадке в направлении, параллельном потоку. Для кристаллических материалов усадка обычно выше перпендикулярно потоку.

Полимеры имеют тенденцию сжиматься больше в направлении толщины, чем в плоскости поверхности. Этот эффект вызван ограничением размеров пресс-формы (или отсутствием ограничения пресс-формы по толщине детали). Разница в усадке между направлениями в плоскости и толщине может вызвать деформацию, особенно в углах детали, из-за того, что они иногда толще, чем номинальная толщина стенки.

Почему происходят отклонения

Хотя очевидно, что изменяющиеся коэффициенты усадки могут вызывать деформацию, важно также понимать, почему эти различия возникают в первую очередь. Вот пять наиболее распространенных причин:

В случае с любым полукристаллическим материалом высокая скорость охлаждения приводит к меньшему времени формирования кристаллических структур. Этот эффект уменьшает общую объемную усадку. Тот же эффект применяется к аморфным материалам, но поскольку общая усадка меньше, степень уменьшения усадки при высоких скоростях охлаждения уменьшается.

    Ориентация из-за заполнения

Первоначально ориентация длинных, вязких полимерных молекул обусловлена сдвиговым напряжением во время течения. Когда полимер все еще находится при высокой температуре и напряжение сдвига снято, ориентация будет ослаблена. (Ориентация фиксируется только тогда, когда сдвиг и замерзание происходят одновременно.) Когда это ослабление происходит в аморфных материалах, обычно наблюдается большая усадка параллельно потоку.

Красный = волокна выровнены в направлении потока.

Синий = волокна выровнены перпендикулярно потоку.

Поскольку молекулы кристаллических материалов выровнены в направлении потока, большая часть кристаллизации будет происходить перпендикулярно потоку, вызывая большую усадку в этом направлении.

Пока деталь находится в форме, она не может сжиматься в плоскости своей поверхности, но может сжиматься в направлении ее толщины. Это имеет два эффекта. Во-первых, существует большая усадка в направлении толщины.

Во-вторых, полимер накапливает напряжения в плоскости своей поверхности. После выброса эти напряжения могут ослабнуть, поскольку деталь продолжает охлаждаться, вызывая деформацию. Чем выше температура пресс-формы, тем ниже скорость охлаждения и тем больше напряжения уходят от детали. Выравнивание по пресс-форме также зависит от материала. Материалы, которые сопротивляются ползучести (и расслабляются медленнее), имеют более высокую линейную усадку, в то время как материалы, которые расслабляются быстрее, имеют меньшую линейную усадку.


Неравномерная усадка.

Во-вторых, полимер накапливает напряжения в плоскости своей поверхности. После выброса эти напряжения могут ослабнуть, поскольку деталь продолжает охлаждаться, вызывая деформацию. Чем выше температура пресс-формы, тем ниже скорость охлаждения и тем больше напряжения уходят от детали. Выравнивание по пресс-форме также зависит от материала. Материалы, которые сопротивляются ползучести (и расслабляются медленнее), имеют более высокую линейную усадку, в то время как материалы, которые расслабляются быстрее, имеют меньшую линейную усадку.

    Разница температур по толщине

Когда температура формы на одной стороне поперечного сечения отличается от другой, усадка не будет равномерной в обоих сторонах. По сути, плоскость на одной стороне детали будет сжиматься больше, в результате чего она будет меньше другой стороны, создавая изгибающий момент, который может привести к деформации.

При различной толщине детали для охлаждения толстых областей требуется больше времени, что может привести к большей усадке. Подобный эффект происходит с областями, которые находятся далеко от отверстий. Если используется постоянный профиль уплотнения, области, расположенные ближе к отверстиям, будут становиться более плотными и холодными с одной скоростью, а области, расположенные дальше от ворот – с другой, вызывая дисперсию усадки.

Как симуляция может помочь

Управление деформацией является сложной задачей, учитывая количество вовлеченных факторов и то, как каждый из них может влиять на другие. Программное обеспечение для моделирования может упростить эту работу, позволяя инженерам решать проблему на более раннем этапе цикла разработки продукта.

С помощью инструментов визуализации результаты можно масштабировать и привязывать для упрощения интерпретации и сравнения с другими симуляциями.

Представленная симуляция, сравнивает различные варианты обработки и их влияние на усадку деталей.

Итерирование конструкций с помощью ручных или автоматизированных рабочих процессов позволяет инженерам изменять условия обработки или конструкцию детали, чтобы определить комбинацию, которая дает нужную деталь. Автоматический оптимизационный анализ Moldflow обеспечивает прямую обратную связь о влиянии изменений конструкции, материалов и процессов на деформацию детали.

Моделирование Moldflow также позволяет быстрее и проще рассмотреть более широкий спектр потенциальных решений, таких как изменение материала или охлаждение пресс-формы, что более удобно, чем работа с усадкой после формования детали.

Конечные мысли

Что делает деформацию настолько трудным для диагностики, так это то, что очень редко бывает только один ответ. В большинстве случаев многие факторы могут противодействовать или преувеличивать друг друга, что затрудняет выделение вклада каждого из них. Понимание того, как и почему возникает пластическая деформация посредством моделирования, дает инженерам преимущество при анализе для разработки соответствующего решения, в рамках их бюджета и графика.

Читайте также:  Как осветлить алюминий в домашних условиях
Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector