Процесс кристаллизации жидкого металла в форме протекает в следующей последовательности. При начальном соприкосновении жидкого металла со стенками формы в прилегающем слое металла возникает резкий градиент температур и происходит переохлаждение, ведущее к возникновению большого количества центров кристаллизации. Образуется корка затвердевшего металла, характеризующаяся мелкозернистой структурой.
После образования корки условия теплоо
твода изменяются, градиент температур в прилегающих слоях уменьшается. В результате из небольшого количества центров кристаллизации начинают расти столбчатые кристаллы, ориентированные по нормали к поверхности корки.
В середине отливки нет определенной направленности теплоотвода. Температура металла выравнивается по объему. В результате образуется равновесная структура.
Таким образом, в процессе кристаллизации в отливке образуются три зоны: наружная мелкозернистая корка, средняя зона столбчатых кристаллов и центральная зона с равновесной структурой. Такое строение затвердевшего металла отливки приводит к анизотропии свойств по объему отливки.
Сущность суспензионного литья состоит в том, что при заполнении литейной формы перегрев жидкого металла снимается благодаря внутренним теплоотводам, а по объему металла распределяются дополнительные активные центры кристаллизации, воздействие которых проявляется в увеличении скорости и развитии преимущественно объемного затвердевания и диспергировании структуры литого металла.
Различают два вида суспензионной разливки: эндогенную и экзогенную.
Эндогенную суспензионную разливку осуществляют путем наложения на кристаллизующуюся жидкую фазу внешних воздействий: механических, ультразвуковых или электромагнитных.
Экзогенную суспензионную разливку осуществляют введением в жидкий металл порошкообразных добавок. В качестве дисперсных добавок применяют стальную или чугунную дробь, гранулы различных металлов, ферросплавов или лигатур, железный порошок.
При изготовлении фасонных отливок различной массы от 200 кг до 40 т находит применение ввод дисперсных частиц с помощью тангенциального смесителя (вихревой воронки). Этот способ заключается в том, что в результате тангенциального подвода литника из приемной чаши в смесительную емкость в последней создается вращательное движение жидкого металла с образованием вихревой воронки. Дисперсные частицы из бункера подаются в центр воронки, захватываются вращающимся жидким металлом, распределяются им и уносятся в полость формы. Введенные данным способом дисперсные частицы равномерно распределяются по объему отливки.
При литье крупных отливок и слитков, когда разовая порция дисперсных частиц превышает 1-2 т, бункер-дозатор рекомендуется устанавливать стационарно для каждой заливаемой опоки над смешивающей воронкой. При литье мелких и средних отливок, когда масса порции дисперсных частиц не превышает 1 т, бункер подвешивают к разливочному ковшу или загрузочный бункер устанавливают коаксиально к заливочной чаше.
Весьма перспективным является метод суспензионного модифицирования расплава непосредственно в полости литейной формы. Технологический процесс суспензионного модифицирования осуществляется путем введения дисперсного порошка в полость формы с помощью пенополистироловых моделей. Дисперсный порошок вводят в пенополистироловую модель в виде плакированных металлическими частицами подвспененных полистироловых гранул, которые окончательно вспениваются в пресс-форме.
Технико-экономическая эффективность суспензионной заливки состоит в следующем:
- снижение брака по линейным дефектам на 30-50 % благодаря повышению качества отливок;
- сокращение объема прибылей на стальных отливках на 20-30 %, что обеспечивает увеличение выхода годных изделий на 5-10 %;
- снижение трудоемкости работ по устранению горячих трещин на 25-50 %;
- снижение брака в результате пригара на 25-30 % ,что обеспечивает уменьшение трудоемкости работ по обработке и очистке отливок на 10-15 %;
- сокращение времени выдержки отливок в форме на 15-20 %, что соответственно увеличивает производительность;
- повышение физико-механических и специальных свойств, приводящее к увеличению срока службы литых деталей на 10-20 %.