Литейные магнитные формы - Зальцман Ю.Е.

Автор: Зальцман Ю.Е.

Теги: технология обработки без снятия стружки в целом: процессы, инструмент, оборудование и приспособления инженерия металлургия металлы литейное производство инженерное дело

Год: 1974

Похожие

Технологий литейного производства

Технология литейной формы: Учебник для техникумов цветной металлургии

Технология литейного производства

Оборудование литейных цехов

Текст

МИНИСТЕРСТВО СТАНКОСТРОИТЕЛЬНОЙ И ИНСТРУМЕНТАЛЬНОЙ
ПРОМЫШЛЕННОСТИ
ГЛАВНОЕ ТЕХНИЧЕСКОЕ УПРАВЛЕНИЕ
НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ИНФОРМАЦИИ
ПО МАШИНОСТРОЕНИЮ
СЕРИЯ С-Х-2
УДК 621.74.045.073
ЛИТЕЙНЫЕ
МАГНИТНЫЕ ФОРМЫ
МОСКВА 1974
I wa> «но-
I ЭНЗЕ; ; *
L^J^bKGro зала
•<
Ю. E. ЗАЛЬЦМАН
(НИИ санитарной техники)
В обзоре рассмотрены особенности нового способа полу-
чения отливок в магнитных формах, связанные с действием
магнитных и тепловых полей; приведены конструкции устройств
магнитной формовки и даиы рекомендации для выбора их
параметров; описаны особенности технологии литейных маг-
нитных форм (ориентация моделей в форме; вентиляция форм;
конструкции литниковых систем н т. п.); рассматриваются
вопросы влияния свойств магнитных форм на кристаллизацию»
и структуру отливок.
Обзор предназначен для научных сотрудников и инжене-
ров, работающих в области литейного производства.
ВВЕДЕНИЕ
Современное развитие науки и техники характеризуется тем, что
.дальнейший прогресс и совершенствование в одних областях знаний
уже не может осуществляться без учета и использования достиже-
ний в других областях. Этот процесс затрагивает и литейное про-
изводство, которое опирается на достижения химии, физики и мно-
гих других областей науки и техники.
Создание новых материалов — пенопластов, и использование их
в литейном производстве впервые дало возможность оставлять мо-
дели в форме во время заливки металла, что значительно облег-
чило процесс формовки и способствовало получению отливок более
высокой точности. Основанный на этом принципе способ литья по
газифицируемым моделям находит все большее распространение
[1,2, 3, 4. 5].
Развитие способа литья по газифицируемым моделям привело
к созданию нового способа получения отливок, предусматривающе-
го применение в качестве формовочной смеси сыпучего дисперсно-
го ферромагнитного материала, упрочняемого на время заливки и
кристаллизации отливки магнитным полем — способа магнитной
формовки. Способ магнитной формовки был предложен Р. Гофман-
ном [6] в 1965 г. и реализован в промышленной установке фирмы
Brown Boveri Со (ВВС). Целый ряд достоинств магнитных форм,
которые рассматриваются в данном обзоре, а также простота авто-
матизации этого процесса делают такой способ получения отливок
весьма перспективным. Метод магнитной формовки внедрен на ряде
заводов ФРГ, Японии и других стран. На Московской международ-
ной выставке литейного оборудования «Интерлитмаш-73» фирма
ВВС демонстрировала действующую установку магнитной формов-
ки. Способ магнитной формовки обсуждался на международных
конгрессах литейщиков в Киото (1968 г.) и Дюссельдорфе (1971 г.).
.В Советском Союзе вопросами литья в магнитные формы занима-
ются Институт проблем литья АН УССР, Институт физики АН Латв.
ССР, НИИ санитарной техники, МАМИ и др.
ОСНОВЫ ПРИМЕНЕНИЯ НАМАГНИЧИВАЕМЫХ
ДИСПЕРСНЫХ МАТЕРИАЛОВ В КАЧЕСТВЕ ФОРМОВОЧНЫХ
\
Литье по газифицируемым моделям в песчаные формы и фор-
мы из намагничиваемых материалов. Способ производства отли-
вок по газифицируемым моделям был предложен в 1958 г. Г. Шройе-
ром [7]. Специфика этого способа получения отливок заключается в
применении неразъемной формы с пенополистироловой моделью,
газифицируемой при заливке расплава и замещаемой им. Этим
способом можно получать отливки без стержней, без уклонов, без
швов и заливов с более жесткими допусками на размеры и с умень-
шенными припусками на механическую обработку.
Однако взаимодействие расплавленного металла с продуктами
деструкции материала модели нередко приводит к появлению спе-
цифических дефектов отливок: поверхностных раковин (вследствие
отложения твердого углерода); газовых раковин; волнистости по-
верхности отливки и др. [8, 9, 10, 11]. Качество получаемых отливок
существенным образом зависит от свойств материала модели, в
частности его удельного веса. При уменьшении удельного веса
материала модели снижается количество продуктов деструкции,
выделяющихся при заливке форм, однако одновременно уменьша-
ются жесткость и прочность модели, что увеличивает вероятность
деформации модели при использовании уплотняемых песчано-гли-
нистых смесей [12, 13].
Для предотвращения деформации моделей, особенно из пенопо-
листирола с низким удельным весом, и одновременно с целью упро-
щения формовки и выбивки было предложено использовать в каче-
стве формовочной смеси сухой кварцевый песок без связующего
[14, 15].
Возможность получения отливок в формах из сухого песка без
связующего различные исследователи объясняют по-разному. Г. Ди-
тер [16] считает, что форма из сухого песка приобретает прочность
за счет связующего действия сконденсированных в порах формы
продуктов испарения пенополистирола, образующихся в процессе
его газификации. Р. Бутлер и Р. Попе [17, 18, 19] отрицают связую-
щее действие продуктов конденсации и объясняют устойчивость форм
4
из сухого песка и возможность формирования в них отливок без-
зазорным замещением модели расплавом. Однако рядом других ис-
следователей [11, 20, 21] установлено, что зазор между моделью и
расплавом образуется, и величина его зависит от температуры рас-
плава, скорости заливки, гидростатического напора и других фак-
торов. В.-С. Шуляк [П] считает, что основным фактором, удержи-
вающим песок в устойчивом положении, является действие филь-
трационных сил газового потока, образующегося в результате взаи-
модействия материала модели и расплава.
Вместе с тем, следует отметить, что при изготовлении отливок
в формах из сухого кварцевого песка без связующего из-за несоот-
ветствия размеров отливки и модели и вследствие песчаных засоров
довольно значительное количество отливок бракуется, например, по
данным А. Виттмозера брак достигает 15—30% [22]. Нанесение на
пенополистироловую модель прочной и газопроницаемой краски,
стабилизирующей формы из сыпучего материала до момента обра-
зования затвердевшей корки отливки, позволило снизить брак от-
ливок. Однако, для получения качественных отливок в ряде случа-
ев было необходимо наносить на модели покрытие толщиной до
5 мм [22], что связано с технологическими трудностями и, кроме
того, значительно увеличивает трудоемкость способа.
Р. Бутлер и Р. Попе [18] считают возможным получение качест-
венных отливок в формах из сухого песка без связующего при по-
крытии моделей тонким слоем краски, если в форме обеспечено
достаточное гидростатическое давление расплава. Однако, как ука-
зал А. Виттмозер [22], они недооценили влияния колебаний давле-
ния расплава в различных сечениях полости формы в процессе
заливки. Было установлено, что образование областей разрежения
в расплаве является во многих случаях причиной пороков отливок.
Ю. А. Степанов и В. Г. Москалев [23] отмечают также, что в зави-
симости от конструктивных особенностей отливки местное умень-
шение скорости подъема расплава в форме из сыпучей несвязной
смеси может привести к образованию значительного зазора между
зеркалом металла и фронтом плавления модели, что вызывает на-
рушение устойчивости стенок формы и осыпание смеси в полость
зазора.
Для получения качественных отливок методом литья по газифи-
цируемым моделям формовочные смеси должны удовлетворять
следующим требованиям:
быть сыпучими в процессе формовки для предотвращения де-
формации пенополистироловых моделей малого удельного веса;
быть достаточно, прочными при заливке для предотвращения
отрыва частиц движущимся расплавом и их осыпания в полость,
образующуюся между моделью и фронтом расплава;
иметь достаточную газопроницаемость после упрочнения;
свободно высыпаться из опоки после затвердевания отливки.
Процесс изготовления отливок по газифицируемым моделям в
формах из ферромагнитных материалов заключается в следующем.
5
После засыпки пенополистироловой модели таким формовочным
материалом накладывается магнитное поле, под действием которо-
го частицы материала связываются в единое целое. Заливку произ-
водят как обычно. После снятия магнитного поля формовочный
материал высыпается из опоки. Такой способ получения отливок,
сохраняя основные достоинства литья в формы из сухого кварце-
вого песка, в то же время устраняет их основной недостаток — об-
разование засоров.
В первых опытах получения отливок в магнитных формах
Р. Гофманн и А. Виттмозер [22] применяли соленоид, одновременно
служащий опокой, размерами 100X100X150 мм. Пространство
между пенополистироловыми моделями и соленоидом засыпали чу-
гунными опилками размерами около 0,5 мм. В качестве металла
для заливки использовали олово. Полученные отливки четко вос-
производили контуры модели. Эти опыты подтвердили возможность
получения годных отливок в магнитных формах. В дальнейшем
опыты проводили с расплавами силумина и серого чугуна в опоках
диаметром 220 мм и высотой 550 мм. Полученные отливки имели
хорошее качество поверхности и высокую точность размеров. Для
достижения такой точности, особенно при получении отливок с под-
нутрениями, требовалась слабая вибрация, которую можно создать
при помощи вибратора. Кратковременное включение вибратора, на
который устанавливали опоку с соленоидом, обеспечивало плотное
прилегание формовочного материала к модели.
На основании накопленного опыта [22] был установлен следую-
щий рабочий цикл процесса получения отливок: насыпка слоя фер-
ромагнитного формовочного материала на дно опоки; установка
пенополистироловой модели на слой формовочного материала; за-
полнение свободного пространства опоки ферромагнитным формо-
вочным материалом с применением вибрации; включение магнитно-
го поля; заливка формы; снятие магнитного поля; охлаждение и
выемка отливки. Такой процесс получения отливок легко поддается
автоматизации, например, по схеме, показанной на рис. 1 [22]. В со-
ответствии с этой схемой была создана установка магнитной фор-
мовки (рис. 2) [24, 25, 26]. В отличие от ранее применяемых конст-
рукций устройство для создания магнитного поля в ней расположе-
но независимо от опоки. Это дало возможность использовать кон-
вейер для выполнения транспортных операций всего технологиче-
ского цикла получения отливок. На первых позициях конвейера
пенополистироловую модель устанавливают в опоки-контейнеры
размерами 400x400X600 мм, в пространство между моделью и
опокой засыпают ферромагнитный формовочный материал, который
уплотняется вибрацией. Затем форма поступает на позицию намаг-
ничивания, где расположен U-образный электромагнит, после вклю-
чения которого создается постоянное магнитное поле, производится
заливка, и форма остается на этой позиции до затвердевания от-
ливки. Продвигаясь по конвейеру, отливка охлаждается и легко
6
Рис. 1. Схема
автоматической установки магнитной формовки
Рис. 2. Автоматическая установка магнитной формовки
7
удаляется из вновь ставшего сыпучим ферромагнитного материала,
который после охлаждения опять используют для формовки.
Анализ литературных данных позволяет сделать вывод о ряде
достоинств нового способа изготовления отливок:
1) все преимущества, связанные с применением неразъемных
форм: исключение операций извлечения модели и сборки формы;
во многих случаях формовка без стержней (при наличии стержней
они заформовываются вместе с моделью); отсутствие на отливке
формовочных уклонов, швов и заливов (благодаря этим особенно-
стям процесса отливки имеют относительно высокую точность);
уменьшение объема очистных работ и экономия металла;
2) отсутствие в формовочном материале вредных соединений,
содержащихся в песчано-глинистых материалах;
3) высокая газопроницаемость формы;
4) простота контроля качества формовочного материала;
5) отсутствие дорогих и громоздких установок для приготовле-
ния формовочных смесей;
6) краткость цикла формовки и малая энергоемкость процесса
упрочнения формовочного материала (при помощи вибрации и маг-
нитного поля);
7) сокращение периода охлаждения отливки благодаря повы-
шенной теплоаккумулирующей способности формы;
8) упрощение выбивки форм.
Механизм упрочнения ферромагнитных формовочных материа-
лов. Поведение ферромагнитных частиц в постоянном магнитном
поле. Известно [27], что силы, действующие на ферромагнитные
частицы со стороны магнитного поля, возникают лишь в случае его
неоднородности. Ферромагнитный шар, помещенный в однородное
магнитное поле, будет покоиться, если на него не действуют силы
других полей. Однако уже два ферромагнитных шара, находящиеся
в таком поле, притягиваются друг к другу, располагаясь вдоль си-
ловой линии. Это объясняется тем, что ферромагнитные шары, на-
магничиваясь в однородном поле, создают вокруг себя локальные
неоднородные магнитные поля, которые и приводят к их взаимодей-
ствию. Чтобы оторвать шары друг от друга, необходимо приложить
определенное усилие, величина которого зависит, при прочих рав-
ных условиях, от величины индукции магнитного поля (рис. 3, а).
Сила взаимодействия между шарами зависит и от угла ориентации
линии, проходящей через центры шаров, относительно направления
магнитного поля. Как видно из рис. 3, б, при возрастании угла а
сила притяжения F уменьшается, проходит через нулевое значение
и даже становится отрицательной. Это означает, что при определен-
ных условиях, когда угол а близок к 90°, ферромагнитные шары от-
талкиваются друг от друга. Однако между шарами, составляющи-
ми, например, плотноупаковэнную систему, действуют лишь силы
притяжения (рис. 4 а). Эти силы способны противостоять не только
весу шаров, но даже определенным нагрузкам (рис. 4, б, в). Оче
8
видно, благодаря действию сил притяжения между частицами фор-
мы из чугунной или стальной дроби приобретают прочность в одно-
родном магнитном поле. Если при помощи удаляемой модели из
Рнс. 3. Графики изменения силы взаимодействия двух фер-
ромагнитных шаров диаметрами 4 (1), 5 (2), 6 мм (3) в
постоянном однородном магнитном поле в зависимости от
величины индукции поля (В) (а) и от величины угла а
наклона линии, проходящей через их центры, к линии
направления поля (б)
немагнитного материала в такой форме создать полость, то кон-
фигурация сохранится (рис. 5). Это объясняется тем, что большие
силы притяжения между ферромагнитными частицами, находящи-
мися в магнитном поле, возникают лишь при непосредственном
контакте. При увеличении расстояния между частицами силы при?
тяжения значительно ослабляются (рис. 6). Поэтому частицы,
оформляющие полость, фиксируются в определенном положении, не
стремятся соединиться с более далекими частицами, находящими-
9
ся на границе полости, благодаря чему сохраняется очертание по-
лости формы.
Магнитные поля, создаваемые реальными намагничивающими
устройствами, имеют характерную неоднородность, которую легко
обнаружить, если в поле, полученное, например, в зазоре U-образ-
ного электромагнита, внести ферромагнитный шар, подвешенный на
нитке. Как видно из рис. 7, а шар притягивается к ближайшему
Рис. 4. Взаимодействие ферромагнитных шаров в постоянном однородном
магнитном поле
Рис. 5. Полости, полученные в магнитных формах после уда-
ления моделей
полюсу. Однако если этот шар расположить на одинаковых рас-
стояниях от полюса электромагнита и другого фиксированного
шара (рис. 7, б), а затем включить поле, то он отклоняется уже в
сторону фиксированного шара и притягивается к нему (рис. 7, в).
Если пытаться отрывать друг от друга шары, один из которых ка-
сается полюса электромагнита (рис. 7, г), то отрыв происходит в
месте контакта с полюсом (рис. 7, д.).
10
Рис. 6. Зависимость силы притяжения от расстояния между
центрами двух ферромагнитных шаров диаметром 4 мм, нахо-
дящихся в постоянном магнитном поле-(/7=800 э)
Рис. 7. Взаимодействие ферромагнитных шаров вблизи полюса
- U-образного электромагнита
II
Таким образом эти опыты подтверждают положение о том, что
сила взаимодействия между шарами, обусловленная локальной не-
однородностью поля, создаваемой при внесении их в магнитное
поле, больше, чем силы их взаимодействия с полюсом электромаг-
нита. Это позволяет пренебрегать влиянием неоднородности маг-
нитного поля около полюсов электромагнита на прочность магнит-
ных форм.
Учет влияния магнитного поля при упрочнении сыпучих ферро-
магнитных материалов. Известно, что прочность связных систем
(грунтов [28, 29] и различных формовочных смесей [30, 31]) характе-
ризуется их сопротивляемостью сдвигу и выражается формулой
Кулона <
T=3tg? + C, (1)
Где т и о — тангенциальные (сдвигающие) и нормальные напря-
жения, соответственно;
; <р — угол внутреннего трения;
* С— связность материала.
Природа сил связности в этих материалах еще до конца не выяс-
* йена. В свете современных физических представлений она опреде-
ляется силами межмолекулярного взаимодействия, имеющими кван-
товую природу [32]. В сыпучих материалах связность отсутствует и
прочность их равна нулю [33]. Формула Кулона (1) для сыпучих
ферромагнитных материалов, упрочненных под действием постоян-.
ного магнитного поля, будет иметь вид:
хи = ° tg <р„ + См , (2)
где тм — тангенциальные напряжения в намагниченном материале;
фм — угол внутреннего трения в намагниченном материале;
См— магнитная связность.
Можно предположить, что угол внутреннего трения при намаг-
ничивании сыпучего ферромагнитного материала не меняется, так
как он определяется свойствами поверхности отдельных частичек,
поэтому можно предположить, что фм = ф, при этом уравнение (2)
принимает следующий вид:
4,=° tg ?+См . (3)
Как следует из уравнения (3), увеличение сопротивляемости
сдвигу в намагниченном дисперсном материале, т. е. его упрочнение
происходит за счет так называемой магнитной связности См. В
работах [34, 35] магнитная связность объясняется действием нор-
мальных напряжений, возникающих при взаимном притяжении
ферромагнитных частиц, находящихся в постоянном магнитном поле
См = <зн • tg ® , (4)
где Ом — нормальное напряжение, определяемое силами магнитно-
го взаимодействия между частицами.
Если предположить, что ферромагнитные частицы имеют форму
шара, уложены в правильные структуры и находятся в однород-
12
i
I
йом магнитном поле, то можно считать [34], что тангенциальные
силы магнитного поля, действующие на эти частицы, равны нулю.
Из теории магнетизма [27] известно общее выражение для опре-
деления сил магнитного взаимодействия, преобразуя которое, мож-
но получить следующее выражение для нормальных напряжений
_ 2^-1)
“ 8-и.
(5)
или
ф2(р.-1)
За-8яр. ’
(6)
где Ф — магнитный поток в дисперсном ферромагнитном материале;
S — площадь поверхности сдвига;
р,— магнитная проницаемость дисперсного ферромагнитного
материала.
Поверхность контакту в плоскости сдвига зависит от формы
частиц дисперсного ферромагнитного материала, что влияет на ве-
личину о.-.,, так как силы магнитного взаимодействия тел зависят от
площади поверхности их соприкосновения [36]. Поэтому в формулу
(6) необходимо ввести коэффициент учитывающий форму частиц
дисперсного материала. Тогда окончательно выражение для ом при-
мет вид:
М S2-8-;j. . s* ’
(7)
(Р— 1)Кф
где —------------безразмерный коэффициент.
8л[л
Подставляя значение ом (7) в формулу (4) можно получить вы-
ражение для определения магнитной связности
CM = K^tg?.
(8)
Расчет магнитных форм. При расчете магнитных форм опре-
деляют минимальную величину индукции магнитного поля в фер-
ромагнитном формовочном материале, которая обеспечивает доста-
точную прочность формы в течение всего процесса получения от-
ливки. Из опыта получения отливок по газифицируемым моделям
в формах из несвязанного сыпучего материала следует, что такая
форма может деформироваться как под действием собственного'
веса, так и давления жидкого металла после заполнения формы
[22, 23]. При деформации формы происходит смещение или сдвиг
одних частей формовочного материала относительно других. Со-
гласно теории прочности Моора [37], широко применяемой, напри-
мер, в механике грунтов, предельная прочность материала опреде-
ляется напряженным состоянием в плоскости сдвига, а величина
сдвигающих напряжений на поверхности скольжения ограничивает-
ся величиной нормального напряжения к этой поверхности и одно-
13
временно свойствами самого материала. Из формулы (7) видно»,
что при наложении постоянного магнитного поля на сыпучий фер-
ромагнитный материал в нем возникают нормальные напряжения
<тм, которые и обеспечивают возможность регулирования прочности,
формы индукцией магнитного поля.
Для определения величины индукции магнитного поля необхо-
димо решить задачи предельного равновесия сначала полой, а за-
тем заполненной расплавом магнитной формы. Как известно, пре-
дельное равновесие формы соответствует такому напряженному
состоянию, когда малейшее дополнительное воздействие может на-
рушить равновесие.
Определение величин индукции магнитного поля для полых
форм. Обычно магнитные формовочные материалы применяют при
литье по газифицируемым пенополистироловым моделям, имеющим
достаточную прочность, чтобы не деформироваться под влиянием
веса формовочного материала. Однако в процессе заливки вследст-
вие прогрева материала модели, степень которого зависит от ряда,
факторов: температуры расплава, скорости заливки, системы под-
вода металла и др., пенополистироловая модель может деформиро-
ваться еще до того, как она заместится расплавом. Кроме того, ме-
тод магнитной формовки может быть использован и при литье по
предварительно удаляемым пенополистироловым моделям, напри-
мер, выжиганием, растворением или другим способом.
Рис. 8. Схема магнитной формы для получения отливки плиты
На рис. 8 показана магнитная форма для получения отливки
плиты. Необходимо определить условия предельного равновесия
для части насыпного ферромагнитного материала, находящейся
между вертикальной плоскостью АД и поверхностью скольжения
АС, предполагаемой для простоты решения задачи плоской. При
отсутствии магнитного поля эта часть формы, называемая призмой
14
обрушения, теряет свое равновесие, однако в магнитном поле вер-
тикальный откос АД сохраняется. Сдвигающей силой является
проекция веса призмы на линию АС.
= ^gp.C0S?=^Sin3, (9)
где уф — удельный вес формовочного материала;
Р —угол наклона плоскости скольжения к вертикали, равный
для призм обрушения 45° — <р/2 [38].
При выводе формулы (9) и в дальнейшем размер формы в на-
правлении, перпендикулярном плоскости чертежа, считается рав-
ным единице. Силы сопротивления будут равны силам трения, рас-
пределенным по плоскости скольжения АС, обусловленным дейст-
вием нормальной проекции веса призмы АДС к плоскости АС и сил
взаимодействия между намагниченными частицами ферромагнитно-
го материала. При этом •существенно то, что силы магнитного взаи-
модействия направлены перпендикулярно к различно-ориентирован-
ным поверхностям, условно разделяющим ферромагнитный мате-
риал на подвижную (например, призма обрушения) и неподвиж-
ную часть, и поэтому, в отличие от веса призмы, полностью проек-
тируются на нормаль к плоскости сдвига. Исходя из формулы (7),
сила магнитного взаимодействия, направленная перпендикулярно к
плоскости АС, определится из следующего выражения:
г, с КФ2 КЕРН2 • COS fl ZZD2U Q
= = -—• = -----с == К&Н cos ? , (10)
ЛС п
тле. В — индукция магнитного поля.
Эта сила как бы прижимает призму обрушения к плоскости АС,
в результате возникают силы трения, препятствующие движению
призмы
= = (11)
Долю сил трения, обусловленную действием проекции веса
призмы АДС на нормаль к плоскости АС, можно определить по
следующей формуле
Лр= ^-tg₽. sin? . tg?. (12)
Уравнение равновесия сил, действующих на призму АДС, имеет
вид
Д,а ^тр.м 77Тр=О. (13)
Подставляя значения Рсдв, FTp.M и FTp из формул (9, 10 и 12) в
формулу (13) после ряда преобразований получают формулу для
определения индукции магнитного поля, обеспечивающей необходи-
мую прочность стенки полой магнитной формы
В =^1/'tg<p) ,|4у
1 V 2K-tg<p ’
15
Для сохранения предельного равновесия «потолка» полости, не-
обходимо, чтобы силы трения по плоскостям скольжения KN и ВД
(см. рис. 8), возникающие за счет магнитного взаимодействия фер-
ромагнитных частиц и сил бокового давления формовочного мате-
риала, препятствовали сдвигающим силам, возникающим под дей-
ствием веса параллелепипеда КДВД. Плоскости скольжения
KN и ВД выбраны вертикальными для простоты решения.
Суммируя вертикальные проекции сил, действующих на парал-
лелепипед КДВД, получают уравнение его предельного равновесия
Ркхвд—2Др м—2/7тр.бок=0, (15)
где Ркхвд = Тфй2а — вес параллелепипеда КДВД\
^"тр и = KB2ktg<f> — силы трения по плоскостям скольжения
KN и ВД, возникающие под действием
сил магнитного взаимодействия;
„ ТфЛ2? tg<p
гТр.бок =---------силы трения по плоскостям скольжения
KN и ВД, возникающие при действии
сил бокового давления смеси (g —
коэффициент бокового давления, рав-
ный для сыпучего материала 0,32—0,42
[38].
Подставляя эти значения в уравнение (15), после преобразова-
ний получают формулу для определения индукции магнитного поля,,
обеспечивающей необходимую прочность потолка полой магнитной
формы:
П'_ . f -Гф(2а —/I- i tg«p)
у •
Если пренебречь боковым давлением формовочного материала
в плоскостях KW и ВД ввиду его малого значения, предыдущая
формула значительно упростится.
(16)
Определение величин индукции магнитного поля для форм, за-
полненных расплавом. Давление со стороны расплава, удельный
вес которого больше удельного веса формовочного материала, в
заполненной магнитной форме может привести к «раздутию» отлив-
ки при недостаточной прочности формы. На часть ферромагнитной
насыпной среды, заключенной между плоскостями АД и АС' (см.
рис. 8), образующими так называемую призму выпирания, дейст-
вуют силы веса призмы АДС', магнитного взаимодействия по плос-
кости АС' и давления ео-етороны расплава. Определяемое закона-
16
ми гидростатики давление расплава (Рр) может быть рассчитано
по следующей формуле:
р _ -<р(Я+Н2 '
Р 2 2 = 2 ’
(17)
где /1эф=У (H + h')2—(h + h')2 — эффективная высота;
Ур — удельный вес расплава.
Решая уравнение предельного равновесия для призмы выпира-
ния АДС', составленное по аналогии с (11), получают формулу
для определения индукции магнитного поля, обеспечивающей необ-
ходимую прочность стенки магнитной формы, заполненной распла-
вом
Yp-^(tg3'~ tg<p)—Тф-Я2- tgp'(l+tg^- tg<?)
2К • tg <р • Н
(18)
где p/ = 45° + q/2 — угол наклона плоскости скольжения АС' к
вертикали.
Решая уравнение предельного равновесия для потолка КДВД
при заполненной расплавом форме, получают формулу для опреде-
ления индукции магнитного поля, обеспечивающей необходимую
прочность потолка магнитной формы, заполненной расплавом.
K-h- tg<p
(19)
В зависимости от удельных весов расплава и формовочного фер-
ромагнитного материала, геометрии отливки, высоты «потолка»
формы и высоты стояка, величины магнитной индукции, при кото-
рых сохраняется предельно напряженное состояние формы, будут
меняться. По максимальному значению индукции, полученному по
одной из формул (14, 16, 18 и 19) и несколько увеличенному для
создания «запаса» прочности, для конкретной отливки можно уста-
новить величину индукции магнитного поля, обеспечивающую необ-
ходимую прочность формы. При расчете форм с полостями сложной
конфигурации, цх разделяют на простейшие участки и для каждого
подсчитывают величину индукции магнитного поля. В расчетах по
механике грунтов необходимый запас прочности достигается вве-
дением коэффициента устойчивости ц, величину которого выбирают
в пределах от 1,1 до 1,5 [38]. Коэффициент устойчивости для маг-
нитных форм г]м, очевидно, можно выбирать в таких же пределах.
Следует отметить, что прочность песчано-глинистых форм, до-
стигаемая уплотнением, встряхиванием или прессованием, вследст-
вие различных причин (из-за внутреннего трения в формовочных
смесях, внешнего трения о стенки модели или опоки, сложности
геометрической формы модели и т. п.), имеет характерную неравно-
мерность. Из-за поверхностного характера приложения сил, напри-
мер при прессовании, минимально необходимая плотность одних
частей формы достигается за счет переуплотнения-других,-что, по-
бисл.ь. • . ! <. С г' ,
-1Г.ЯР
ЧИТАЛЫ-’О.'О ЗАЛА [
IT
2—81
мимо значительного расхода мощности, приводит к появлению в-
отливках газовых раковин, ужимин, засоров и других дефектов. В
отличие от механического уплотнения формовочных смесей, при
котором усилие передается от одной частицы к другой («последова-
тельно»), действие сил магнитного взаимодействия носит объемный
характер, при этом упрочнение ферромагнитных формовочных ма-
териалов в магнитном поле происходит одновременно во всем объе-
ме без отрицательного влияния сил трения.
Для проведения расчета магнитных форм по вышеприведенным
формулам необходимо знание, кроме геометрии отливки и формы,
еще ряда свойств ферромагнитных формовочных материалов: угла
внутреннего трения ср, коэффициента Лф, учитывающего форму на-
магничиваемых частиц, магнитной проницаемости формовочных,
материалов.
Учитывая, что при контакте с расплавом ферромагнитный фор-,
мовочный материал быстро нагревается, важно знать, в какой сте-
пени влияет нагрев материала на его магнитные свойства. Далее,,
в зависимости от конструктивных особенностей магнитной установ-
ки, геометрия опоки может существенным образом влиять на вели-
чину напряженности магнитного поля внутри формы из-за размаг-
ничивающего действия полюсов, поэтому необходимо знать также-
размагничивающий фактор дисперсных ферромагнитных материа-
лов. Свойства применяемых ферромагнитных формовочных мате-
риалов рассматриваются в следующем разделе.
СВОЙСТВА ФЕРРОМАГНИТНЫХ ФОРМОВОЧНЫХ
МАТЕРИАЛОВ И МАГНИТНЫХ ФОРМ
В качестве формовочных смесей для магнитных форм в настоя-
щее время применяют сыпучие дисперсные ферромагнитные мате-
риалы, в больших количествах выпускаемые промышленностью для
очистки отливок и для порошковой металлургии: дробь стальную
колотую и литую (ДСК и ДСЛ), чугунную колотую и литую (ДЧК
и ДЧЛ); железный порошок П/К (ГОСТ 11964—66 и 9849—61).
Литую чугунную и стальную дробь получают путем разбрызги-
вания струи жидкого металла, выливаемого из ковша на вращаю-
щийся барабан, наполовину погруженный в воду, колотую — дроб-
лением в валках литой дроби, а иногда дроблением стружки [39].
Железный порошок получают методом прямого восстановления из
руды. В табл. 1 приведены химические составы ряда дисперсных
ферромагнитных материалов, выпускаемых промышленностью, а в
табл. 2 и 3 — размеры частиц этих материалов.
Все эти материалы — магнитомягкие, следовательно, при снятии
магнитного поля их остаточная намагниченность практически ста-
новится равной нулю, а сыпучие свойства полностью восстанавли-
ваются. Магнитные свойства сплошных магнитомягких материалов
известны давно, однако применение конгломератов частиц таких
материалов потребовало проведения специальных исследований.
18
Таблица 1
Вид материала (дроби) Химический состав материала дроби, %
с Si Мп Р ие более S не менее
дчл, ДЧК 2,9—3,5 1,5—2,0 0,4—0,7 0,2 0,12
дел, дек 0,7—0,9 2,3—2,6 0,4—0,7 0,09 0,07
пж 0,08—0,4 0,2—1,2 0,5—0,7 0,05 0,06
Таблица 2
Номер дроби Размеры частиц, мм Марки дроби*
дчл ДЧК . ДСЛ док
01 До 0,1 X X
02 От 0,1 до 0,2 X X
03 От 0,2 до 0,4 X X
05 От 0,4 до 0.7 X X X
06 От 0,7 до 0,9 X X . X х
. 1 От 0,9 до 1,2 X X X X
1,5 От 1,2 до 1,6 X X X х
2 От 1,6 до 2,2 X . X X X
12,5 От 2,2 до 2,7 X • X X X
* Знаком «х» обозначены
номера дроби, выпускаемой промышленностью.
Таблица 3
Группа порошка Номера сеток по ГОСТ 6613—53 Остаток порошка на сите, % Проход порошка через сито, %
К 045 Не более 10 Не менее 90
(крупный) 025 » 30 » 60
С 016 Не менее 50 Остальное
(средний) 045 0 100
025 Не более 10 Не менее 90
* 016 Ие менее 70 Остальное
м 025 0 100
(мелкий) 016 Не более 10 Не менее 90
.1 0071 Не менее 35 Остальное
19
Магнитная проницаемость. В работе [40] приводятся данные ис-
следований магнитных свойств некоторых дисперсных ферромагнит-
ных материалов, полученные при помощи баллистической установ-
ки БУ-3. На рис. 9 показаны кривые относительной магнитной про-
ницаемости, являющиеся удобной характеристикой для сравнения
магнитных свойств различных материалов. Из приведенных графи-
ков видно, что относительная магнитная проницаемость дисперсных
ферромагнитных материалов находится в пределах от 4 до 10 еди-
ниц в диапазоне изменения напряженности магнитного поля от О
до 80 ка/м, что на один-два порядка меньше величины проницае-
мости самих ферромагнитных веществ, из которых получены иссле-
дуемые материалы. Максимумы кривых сдвинуты относительно
друг друга (см. рис. 9) для различных видов материалов. С энер-
Рис. 9. Зависимость относительной магнитной проницаемос-
ти ц от напряженности поля Н,
гетической точки зрения для магнитной формовки более выгодны
материалы, имеющие наибольшую величину магнитной проницае-
мости в рабочем диапазоне изменения напряженности магнитного
поля. Применение таких материалов обеспечивает необходимую
прочность магнитных форм в более слабых магнитных полях, что
снижает потребление электрической энергии намагничивающими
устройствами.
Величина напряженности магнитного поля внутри формы, по-
мещенной в соленоид, зависит от ее геометрии вследствие размаг-
ничивающего действия полюсов. Влияние размагничивающего фак-
тора дисперсных ферромагнитных материалов можно оценить по
величине магнитной проницаемости ц (рис. 10).
Известно, что магнитная проницаемость ферромагнетиков при
их нагревании уменьшается, а при достижении температуры точки
Кюри, равной для чистого железа 768° С, приближается к единице.
20
Это явление может приводить к разупрочнению магнитных форм. В
работе [40] описаны исследования степени влияния нагрева ферро-
магнитных формовочных материалов на их магнитные свойства. Для
этой цели использовали тороидальный соленоид, который заполня-
ли исследуемым материалом и прогревали в печи до температуры
Рис. 10 Зависимость магнитной проницаемости Цо от ве-
личины — —- для цилиндрических образцов
у S
800° С. Магнитную проницаемость измеряли при остывании формо-
вочного материала, температуру которого фиксировали термопарой.
Данные эксперимента иллюстрируются кривыми, приведенными на
рис. 11: для ДСК-08 (пунктирная линия) и ДЧЛ-08 (сплошная ли-
Рис. 11. Зависимость относительной магнитной
проницаемости ферромагнитных формовочных ма-
териалов при напряженности поля 10 ка/м (1),
2ока/м (2) и 30 ка/м (3) от температуры нагрева
21
<ния). Легко видеть, что до температур порядка 600° С относитель-
ная магнитная проницаемость ферромагнитных формовочных мате-
риалов практически не уменьшается, а затем быстро падает по мере
приближения к точке Кюри. В слабых магнитных полях напряжен-
ностью до 25 ка)м наблюдался даже рост магнитной проницаемос-
ти с увеличением температуры примерно до 500° С.
Сопротивляемость сдвигу дисперсных ферромагнитных материа-
лов. Для оценки и сравнения свойств намагничиваемых формовоч-
ных материалов необходимы специальные приборы. Для определе-
ния сопротивляемости сдвигу дисперсных ферромагнитных мате-
риалов, упрочненных постоянным магнитным полем, был сконструи-
рован прибор, позволяющий измерять усилия сдвига в образце
исследуемого материала в зависимости от величины нагрузки на
этот материал, индукции магнитного поля и ориентации магнитного
поля относительно плоскости сдвига [41].
Рис. 12. Прибор для определения усилий сдвига дисперсных ферромагнитных
Видя
материалов
Прибор (рис. 12) состоит из основания /, поворотного столика 2
с угловой шкалой, поддона 3, подвижной обоймы 4, скользящей
вдоль направляющих 5, винтов 6, позволяющих регулировать зазор
. между поворотным столиком 2 и торцом подвижной обоймы 4. Нор-,
•мальное давление на исследуемый материал создавалось механиз-
мом, состоящим из пружины 10, вкладыша 11 и крышки 8 с винта-
ми 9. Во вкладыше 11 предусмотрен центральный канал для засып-,
ки порции исследуемого материала заданного веса, уплотняемый
легкой вибрацией.
Для определения углов внутреннего трения исследуемый ферро-
магнитный формовочный материал засыпают в полость, образован-
22
ную поддоном 3 и вкладышем 11, и уплотняют. Затем несколько
приподнимают винтами 6 обойму 4 с вкладышем И. Далее винт 7
отвинчивают и на крышку 8 ставят гири, которые сжимают пружи-
ну 10 и через вкладыш 11 передают давление на исследуемый ма-
териал. Пружину в сжатом положении и крышку фиксируют вин-
тами 9, после чего гири снимают. Крючок 12 присоединяют к сило-
вому устройству с динамометром и создают усилие, направленное
параллельно направляющим, которое постепенно увеличивают до
момента сдвига обоймы относительно поддона. Осуществляя сдвиг
обоймы при разных нормальных нагрузках на исследуемый мате-
риал, определяют напряжение сдвига в зависимости от величины
нагрузки. Затем строят по опытным точкам в координатах «напря-
жение сдвига-нагрузка» прямую, по углу наклона которой к оси
абсцисс можно найти угол внутрейнего трения исследуемого сыпу-
чего материала. В табл. 4 приведены значения углов внутреннего
трения дисперсных ферромагнитных материалов, различающихся
формой частиц и удельным весом.
Таблица 4
Марка материала <Р, град 7ф. г/сж»
ДСК-08 28 3,9
ДСЛ-08 26 4,1
ПЖ1М 2? 2,8
ДЧК-08 27 3,5
ДЧЛ-08 26 4
Определение магнитной связности исследуемого материала про-
изводят при нулевой нормальной нагрузке. Вкладыш фиксируют
винтом 7 и вместе с обоймой несколько приподнимают винтами 6
для образования зазора между обоймой и поверхностью поворот-
ного столика. Затем в полость засыпают исследуемый ферромаг-
нитный материал и уплотняют, после чего канал вкладыша заглу-
шается пробкой (на рис. 12 не показана). Далее прибор помещают
в зазор электромагнита, фиксируют поворотный столик под опре-
деленным углом, присоединяют к силовому устройству с динамо-
метром и накладывают магнитное поле. Создавая усилие, направ-
ленное параллельно оси поворота и направляющим 5, осуществля-
ют сдвиг обоймы относительно поддона. Определяемое при этом
усилие за вычетом усилия сдвига при отсутствии магнитного поля
является магнитной связностью дисперсного ферромагнитного ма-
териала; очевидно, ее величина будет зависеть от выбранной вели-
чины индукции магнитного поля и угла между плоскостью сдвига,
совпадающей с плоскостью поворотного столика, и направлением
магнитного полц. На рис. 12 показано положение поворотного сто-
23
лика, при котором плоскость сдвига параллельна направлению маг-
нитного поля (на шкале прибора этому положению столика соответ-
ствует угол поворота рдо*). При такой ориентации плоскости сдвига
относительно направления магнитного поля его влияние на величи-
ну усилия сдвига будет минимальным. Наибольшее влияние индук-
ции магнитного поля на величину усилия сдвига проявляется при
положении поворотного столика, соответствующем углу поворота
ро по шкале прибора. Исследуемый образец дисперсного ферромаг-
нитного материала имеет шарообразную форму, благодаря чему
достигается постоянство размагничивающего фактора образца при
различных его ориентациях относительно направления магнитного
поля.
В приведенном расчете магнитных форм зависимость магнитной
связности от ориентации индукции магнитного поля относительно
плоскостей сдвига была принята косинусоидальной. Эксперимен-
тальные кривые для дроби ДСК-08 (рис. 13, а) лежат выше коси-
нусоид, соответствующих тем же значениям индукции магнитного
поля, причем наибольшее отличие наблюдается при углах наклона
образца р от 90 до 60°. Отличие от нуля значений магнитной связ-
ности при углах наклона образца рэо объясняется искажением
магнитного поля в слое сдвига ферромагнитных частичек.
Анализ деформаций магнитных форм показывает, что предпола-
гаемые плоскости скольжения (см. рис. 8) ориентированы относи-
тельно вертикали под углом не более 60°. Поэтому в оценочных
расчетах магнитных форм можно пользоваться косинусоидальной
зависимостью магнитной связности от ориентации плоскостей сколь-
жения относительно направления магнитного поля. Наблюдаемые
отличия экспериментальных кривых от выбранной косинусоидаль-
ной зависимости, объясняющиеся искажением магнитного поля в
дисперсном ферромагнитном материале, будут входить в «запас»
прочности. Я
Определение коэффициентов Кф по величине магнитной связно-
сти. Коэффициент Кф учитывает влияние формы частиц дисперсного
ферромагнитного материала на величину их магнитной связности
См. Это влияние объясняется тем, что частицы различной формы
имеют различную площадь поверхности соприкосновения в плоско-
сти сдвига, а, как известно [36], от площади поверхности соприкос-
новения намагниченных тел существенным образом зависит сила
их магнитного взаимодействия.
На рис. 13, б показаны экспериментальные кривые величин маг-
нитной связности исследованных дисперсных ферромагнитных ма-
териалов при ориентации плоскости сдвига в образце под углом р0;
дисперсные материалы отличались формой частиц-, форма частиц
материалов ДСЛ-08 (1) и ДЧЛ-08 (2) близка к шарообразной, а ча-
стицы материалов ДСК-08 (3), ДЧК-08 (4) и ПЖ1М (5) имеют
* Индекс при угле (3 здесь и далее означает угол поворота', Отсчитываемый
по шкале прибора.
24
угловатую форму. Из графика видно, что форма частиц исследо-
ванных дисперсных ферромагнитных материалов заметно влияет на
величину магнитной связности. Сравнение кривых магнитной связ-
ности материалов ДЧК-08 (4) и ДСК-08 (3) с кривой гораздо более
мелкодисперсного материала ПЖ1М (5) позволяет сделать вывод
о том, что размер частиц почти не влияет на величину магнитной
связности.
Рис. 13. Зависимость магнитной связности от ориента-
ции плоскости сдвига относительно направления магнит-
ного поля для ДСК-08 (а) и от индукции поля для раз-
личных материалов (б)
Используя формулы (4) и (7), выражение для определения ко-
эффициента формы Кф можно представить в виде.
___ б*м ' • р ’
ф " Ф2(р~1) -tg?
25
(20)
Подставляя в эту формулу значение Ф—B-S получают окончатель
ное выражение для К$
v __ См -8- е
ф~ W-iMg?
Если в это выражение подставить известные значения величин
магнитной связности, относительной магнитной проницаемости и
углов внутреннего трения исследованных дисперсных ферромагнит-
ных материалов при определенных значениях индукции магнитного
поля, то можно определить коэффициенты формы. Из графиков за-
висимости коэффициентов формы от величины индукции поля
(рис. 14) видно, что коэффициенты материалов ДСЛ-08 (1) и
Рис. 14. Зависимость коэффициента формы дисперсных ферро-
магнитных материалов от индукции магнитного поля
ДЧЛ-08 (2) близки между собой, а кривые изменения коэффициен-
тов формы материалов ДСК-08 (3), ПЖ1М (4) и ДЧК-08 (5) поч-
ти совпадают. Учитывая это, можно ввести один усредненный коэф-
фициент формы для материалов с формой частиц, близкой к шаро-
образной (ДСЛ-08 и ДЧЛ-08), и другой — для материалов с угло- ,
ватой формой частиц (ДСК-08, ДЧК-08, ПЖ1М).
По данным графика рис. 14, пользуясь известными правилами
[42], можно подобрать эмпирические формулы, выражающие зави-
симость коэффициентов формы от величины индукции магнитного
поля. Опытным значениям коэффициентов формы удовлетворяет
функция (с точностью 5%)
Кф=А,,2.В-г/., (21).
где ki =0,55 гс2/3 — коэффициент для дисперсного ферромагнитно-
го материала с формой частиц, близкой к ша-
рообразной;
1 Аа=0,35 гс 2(/3—коэффициент для дисперсного ферромагнитно-
го материала с угловатой формой частиц, ч
26
Подставляя в формулы (14, 16, 18 и 19) значения (21) мож-
но получить следующие выражения:
_ 4пц-7ф-//. tgР(1 — tg ft- tg<f)
1- V (р-—Ф
' _ ‘/’/4-71-!л.7ф(2а—h.Mg?)
2~ V (.“-042-tg? ’ (22)
, „ _ 4*-M7P-A?H’(tg₽'—tg?)—7ф№-tgflX 1-btgft'-tgcp)]
3 T “ ‘ (^-i)-*i,2-tg?-w ’
*1*f 4tt-El7p(h+ft9-a—7$-h(aH-;-tg<p)] .
4— V (s^—1)-*1,2 Л - tg Ф
Далее рассматриваются некоторые свойства магнитных форм:
технологические — газопроницаемость, термофизические свойства,
твердость и специфическое свойство форм из намагничиваемых ма-
териалов — зарастание.
Свойства магнитных форм. При производстве отливок в магнит-
ных формах по пенополистироловым моделям вследствие взаимо-
действия расплава с материалом модели образуется много газов.
Недостаточная газопроницаемость формы способствует увеличению
давления выделяющихся газов, что может приводить к выбросам
металла из чаши при заливке и, кроме того, возрастанию вероятнос-
ти образования газовых раковин. Поэтому определение и поддер-
жание оптимальной газопроницаемости магнитных форм имеют
большое значение.
Исследования газопроницаемости ферромагнитных формовочных
материалов, упрочненных магнит-
ным полем, проводили на стан-
дартном приборе для определения
газопроницаемости формовочных
смесей. Специальную немагнит-
ную гильзу с исследуемым мате-
риалом помещали в зазор элект-
ромагнита. Влияние упрочняюще-
го магнитного поля индукцией до
1 тл на величину газопроницае-
мости не было обнаружено. Это
является косвенным признаком
того, что изменения плотности ук-
ладки частиц ферромагнитного
материала в форме под влиянием
магнитного поля не происходит.
Результаты определения газопро-
Таблица 5
Марка материала Газопроницаемость
ДСЛ-08 2000
ДЧЛ-08 2000
ДСК-08 1620
ДЧК-08 1350
ДСК-03 520
дчк-оз 480
ПЖ1М 150
Песчано-глинистая смесь (для сравне- ния) 100
ницаемости некоторых ферромагнитных формовочных материалов
приведены в табл. 5.
27
Термофизические свойства. При контакте с расплавом материал
магнитной формы быстро нагревается. При нагреве ферромагнит-
ного материала до температур выше 600° С форма начинает раз-
упрочняться, а при достижении температур, близких к точке Кюри
разупрочняется полностью (рис. 15). Поэтому важно знать темпе-
Рис. 15. Кривые распределения температуры в
магнитной форме из ДСК-08 при затвердевании
чугунной плитки:
/—на границе «отливка-форма»; 2— на расстоянии 4 мм
от поверхности; 3 — на расстоянии 8 мм; 4—12 мм;
5 — 22 мм
ратурное поле магнитной формы, образующееся вокруг охлаждаю-
щейся отливки. Для изучения температурного режима в форму из
ферромагнитного дисперсного материала заливали по пенополисти-
роловой модели чугунную плитку размером 150X150 X15 мм [40, 43].
Температуру регистрировали пятью хромель-алюмелевыми термо-
парами, одну из которых помещали на границе отливки и формы,'
а четыре располагали в форме на разных расстояниях от большой
грани отливки.
В табл. 6 приведены эффективные термофизические коэффициен-
ты некоторых формовочных материалов, а на рис. 15—температур-
ные кривые. Из рисунка видно, что слои материала формы, приле-
гающие к отливке, нагреваются выше 600° С и, следовательно, раз-
упрочняются. Однако нужно учитывать, что этот процесс сопровож-
дается быстрым нарастанием корки отливки.
28
Таблица 6
Наименование формовочного материала Термофизические свойства
а, ккал Ct ккал кг °C X, ккал а, м* час
iyt ' -°C мчас°С
ДСК-08 17,2 0,07 1,08 0,00394
ДЧЛ-08 15 0,089 0,625 0,0018
Песчаио-глииистая смесь 11 0,276 0,325 0,000128
На рис. 16 приведена кривая, характеризующая процесс нара-
стания корки отливки, вычисленная по формулам [44]. Для сравне-
ния по данным рис. 15 построена 'Кривая зависимости толщины раз-
упрочненного слоя формы От времени остывания отливки. Как вид-
но из графика, эти кривые близки друг к другу. На толщину раз-
упрочненного слоя существенно влияют примеси, содержащиеся в
Рис. 16. Зависимость толщины корки отливки г и
толщины б разупрочненного слоя формы из ДСК-08
от. времени затвердевания чугунной плитки размера-
ми 15Х150Х150 мм
ферромагнитном формовочном материале, особенно примесь крем-
ния, которая может снижать точку Кюри до 500° С [45]. Разупроч-
нение слоев формы, прилегающих к отливке, как правило, не приво-
дит к браку отливок, так как разупрочненный слой оказывается
зажатым между «монолитной» массой формы, сохранившей магнит-
29
ные свойства, и коркой отливки, толщина и прочность которой быст-
ро увеличиваются.
Твердость магнитных форм измеряют твердомером с диаметром;
шарика не менее 10 мм. Детали твердомера должны быть изготов-
лены из немагнитного материала [46], так как при контакте поверх-
ности магнитной формы с ферромагнитным основанием обычных
твердомеров резко искажается магнитное поле в месте измерения
твердости, что приводит к ошибочным результатам измерения.
Рис. 17. Зависимость твердости магнитных форм от
индукции магнитного поля (а) н от температуры их
нагрева (б)
На рис. 17 приведены экспериментальные кривые зависимости
поверхностной твердости магнитных форм из материалов ПЖ1М.
(1), ДСК-08 (2), ДЧК-08 (3), ДСЛ-08 (4) и ДЧЛ-08 (5) от вели-
чины индукции магнитного поля и температуры. Измерение произ-
водили на поверхностях, параллельных направлению магнитного
потока. Экспериментально установлено, что при нагреве форм из
порошка ПЖ1М до температуры 900° С на их поверхности образует-
ся твердая корка толщиной 5—10 мм в результате спекания по-
рошка.
Следует отметить, что способность обычной литейной формы
противостоять воздействию металла характеризуется показателем
твердости. Из опыта производства отливок известно, что величина
твердости форм из песчано-глинистых смесей составляет 70—80 ед.
Такое значение твердости определяется особенностями процессов
получения отливок в песчано-глинистых формах (явлениями кон-
денсации влаги в слоях, разупрочнения и др.). Твердость магнит-
ных форм зависит от других факторов: величины индукции и на-
правления магнитного поля; магнитной проницаемости; формы и
плотности укладки ферромагнитных частиц; степени засоренности
частицами другого размера и материала; температурного поля фор-
мы и др. Поэтому значение необходимой твердости магнитных
форм может быть установлено только на основании опыта получе-
ния отливок именно в этих формах.
Зарастание. При превышении некоторого значения индукции
магнитного поля, характерного для каждого материала, магнитная
форма теряет свою устойчивость. Это явление выражается в том,
что начинается зарастание полости формы, причем только со сторо-
ны поверхностей, перпендикулярных магнитным силовым линиям
J46], Для исследования явления зарастания ферромагнитные дис-
персные материалы засыпали в коробку, затем устанавливали в нее
модель, форму уплотняли вибрацией и помещали в зазор электро-
магнита. При достижении значения индукции магнитного поля, до-
статочного для упрочнения магнитной формы, модель удаляли. Об-
разовавшаяся полость четко воспроизводила отпечаток модели. За-
растание полостей в магнитной форме, наблюдаемое при увеличении
индукции поля, можно объяснить тем, что в процессе формовки ча-
стицы ферромагнитного материала фиксируются в различных по-
ложениях. В магнитном поле эти частицы поворачиваются длинны-
ми сторонами вдоль силовых линий.
В относительно слабых магнитных полях возникающие моменты
сил недостаточны для поворота частиц, так как этому препятствуют
силы трения и силы сцепления, возникающие вследствие притяже-
ния частиц. При увеличении индукции магнитного поля моменты
сил возрастают и достигают значений, достаточных для преодоления
сил сопротивления частиц. Первыми поворачиваются частицы, на-
ходящиеся у поверхности полости. Плотность упаковки частиц
уменьшается, наиболее намагниченные частицы (крупные и имею-
щие удлиненную форму) притягивают соседние, и происходит внед-
рение в полость формы.
На рис. 18 приведены результаты измерений зарастания для
прямоугольной щели. Как видно из графика, зарастание полости
зависит от вида применяемого формовочного материала и величины
31
индукции магнитного поля. Дисперсные ферромагнитные материа-
лы ДЧЛ-08 и ДСЛ-08, форма частичек которых близка к шарооб-
разной, имеют меньшую величину зарастания. Зарастание полостей
магнитных форм, образованных стальными шариками правильной
формы диаметром 2 и 4 мм, начинается лишь при очень больших
значениях индукции магнитного поля (около 1 тл) и объясняется,
по-видимому тем, что система укладки шариков в форме отличает-
ся от правильной, при которой зарастание вообще не должно
наблюдаться.
Величина зарастания зависит от геометрии полости и ее ориен-
тации в магнитном поле. На рис. 19 представлен график, характе-
ризующий процесс зарастания прямоугольной щели в порошке
ПЖ1М при различных отношениях сторон айв. Как видно из гра-
фика, щели, расположенные поперек силовых линий, для которых
а
-у<1, зарастают больше. Зарастание полостей различных геомет-
рических форм зависит от картины их обтекания магнитными си-
Рис. 18. Зависимость величины- зарастания прямоугольной полости в
в магнитных формах из ДЧК-08 (1), ДСК-08 (2), ПЖ1М (3), ДЧЛ-08 (4)
и ДСЛ-08 (5) от индукции магнитного поля
ловыми линиями. Зарастание полостей происходит с поверхностей,
к которым силовые линии подходят под углом, близким к прямому
(см. рис. 18). Наилучшими условиями обтекания обладает длин-
ная узкая щель, расположенная вдоль силовых линий магнитного
поля.
32
На основании анализа можно сделать вывод, что каждому виду
формовочного материала соответствует свой оптимальный диапа-
зон изменения индукции магнитного поля, при котором форма полу-
чает достаточную твердость, а зарастание еще не началось. Наи-
большую величину этого диапазона имеет дробь марок ДСЛ-08 и
ДЧЛ-08.
Рис. 19. Зависимость величины зарастания от отношения
сторон айв прямоугольной полости в магнитной форме
при индукции поля 0,3 тл (1) и 0,2 тл (2)
Отрицательное влияние зарастания при получении отливок в
магнитных формах в случае неправильно выбранной величины ин-
дукции магнитного поля проявляется в образовании специфического
дефекта отливки: в слои отливки, перпендикулярные магнитным
силовым линиям, внедряются частицы ферромагнитного формовоч-
ного материала. Для уменьшения вероятности образования таких
дефектов модель в процессе формовки нужно ориентировать по воз-
можности таким образом, чтобы при помещении формы в магнит-
ное поле более длинные стороны модели были расположены вдоль-
магнитных силовых линий.
Следует отметить, что при производстве отливок в магнитных
формах пенополистироловые модели обычно покрывают слоем про-
тивопригарной краски, которая также способствует уменьшению
вероятности образования дефектов отливок вследствие зарастания.
КОНСТРУКЦИЯ и ВЫБОР ПАРАМЕТРОВ УСТРОЙСТВ
' МАГНИТНОЙ ФОРМОВКИ
Виды намагничивающих устройств и особенности их расчета.
Для осуществления процесса магнитной формовки необходимо со-
здать в заданном объеме пространства постоянное магнитное поле
с индукцией определенной величины. Для этого могут быть исполь-
33
зованы различные намагничивающие устройства (рис. 20): постоян-
ные магниты U-образной формы; катушки Гельмгольца; U-образные
электромагниты; соленоиды. Намагничивающие устройства с по-
стоянными магнитами позволяют создавать магнитное поле в тече-
ние длительного времени без какого-либо потребления мощности,
однако в этом случае невозможно регулировать величину индукции
магнитного поля при постоянном воздушном зазоре, что ограничи-
вает номенклатуру получаемых этим способом отливок. Катушки
Гельмгольца, представляющие собой в идеальном виде два кольце-
вых витка, соединенных последовательно и расположенных на рас-
стоянии радиуса витка, позволяют получить однородное магнитное
Рис. 20. Виды намагничивающих Рис. 21. Схема U-образного электромаг-
устройств для установок магнитной нита для магнитных форм (а) и эквива-
формовки: лентная электрическая схема (б):
а •—U-образный постоянный магнит; б — ка- / — ферромагнитный формовочный материал;
тушка Гельмгольца; в — U-образный электро- 2 —стенка опоки; 3 — сердечник электромаг-
магкит; г — соленоид нита; 4 — окно обмотки
поле, однако вследствие его малой напряженности (47] могут найти
лишь ограниченное применение для магнитной формовки. В уста-
новках магнитной формовки наибольшее распространение находят
соленоиды и U-образные электромагниты, позволяющие созда-
вать магнитное поле достаточно большой величины и обеспечиваю-
щие возможность его регулировки в широких пределах путем изме-
нения силы тока в катушках.
34
U-образный электромагнит (рис. 20, в) имеет ферромагнитный
сердечник (магнитопровод) с рабочим воздушным зазором, в кото-
рый помещаются опоки. Конструкция такого намагничивающего-
устройства предусматривает регулировку величины воздушного за-
зора для опок различного размера. Вокруг сердечника располага-
ются катушки возбуждения симметрично относительно полюсов,
электромагнита для получения более однородного поля в зазоре.
Особенность такого намагничивающего устройства — наличие боль-
шого воздушного зазора, величина которого определяется размера-
ми опоки. Для получения в таком воздушном зазоре достаточно-
большой индукции магнитного поля требуется значительная вели-
чина намагничивающей силы, создаваемой катушками возбужде-
ния. Повышенное рассеяние магнитного потока, наблюдаемое в на-
магничивающих устройствах с большими воздушными зазорами,,
также требует увеличения намагничивающей силы катушек. Не-
смотря на то, что при установке опоки с дробью в намагничиваю-
щее устройство воздушный зазор заполняется дисперсным ферро-
магнитным материалом, это не приводит к заметному уменьшению-
потоков рассеяния вследствие малой магнитной проницаемости
дроби.
Намагничивающее устройство U-образного электромагнита с
формой (рис. 21, а) представляет собой магнитную цепь, расчет-
которой сводится к вычислению магнитных сопротивлений и опре-
делению намагничивающей силы катушек возбуждения по задан-
ному потоку в магнитной форме. Согласно эквивалентной электриче-
ской схеме( рис. 21, б) намагничивающая сила катушек возбужде-
ния гео определяется по формуле
Ло^фф.^п
Г । (^в 4~ Д1>) ' ^рас
L ^в+^ф+^рас
(23>
. гб,
где
Ям =
Фф — заданный магнитный поток в форме, мкс;
ka — коэффициент потока, равный отношению магнит-
ного потока в сердечнике к потоку в форме;
---- магнитное сопротивление сердечника, гб)мкс;
=—----------магнитное сопротивление формы, го! мкс;
г, ZB
------магнитное сопротивление суммарного воздушно-
го зазора между полюсами и формой, гб!мкс;
/м, /ф, /в — длина средних линий соответственно сердечника,
, формы и воздушного зазора, см;
SM, 5ф, Зц — площадь сечения соответственно сердечника,
формы и воздушного зазора в плоскостях, перпен-
дикулярных направлению магнитного поля, см2;
/хм, р-Ф —относительная магнитная проницаемость соот-
ветственно материала сердечника и формы.
35
Коэффициент kn, учитывающий рассеяние магнитного потока,
-является функцией многих факторов: общих размеров и формы на-
магничивающего устройства, расположения катушек возбуждения
•относительно зазора и других частей сердечника, размера зазора,
величины индукции в сердечнике, магнитной проницаемости сер-
дечника и т. д. Точная величина коэффициента kn может быть опре-
делена лишь из опыта. Обычно при расчетах электромагнитов с
зазорами величину kn выбирают в пределах 1,5—2,5 [48, 49]. Для
упрощения дальнейших расчетов в данной работе &п = 2, что соот-
ветствует равенству потока рассеяния рабочему потоку в магнитной
-форме.
Принимая также 5в=5ф и учитывая, что Фф = В-3$ (В — индук-
ция магнитного поля в форме), выражение (23) можно преобразо-
JB3Tb
tm = + В-1в + . (24)
Индукция магнитного поля В является величиной заданной, она
-определяется из расчета магнитной формы. Поперечное сечение
сердечника 5м=Д-& зависит от размера опоки b и заданного маг-
нитного потока в форме Д. Уменьшение величины Д ограничивает-
ся индукцией насыщения материала сердечника, поэтому при ее
выборе должно выполняться условие
<25)
где Bs — индукция насыщения материала сердечника.
Величины /м, (ф и ZB, входящие в выражение (24), определяются
•общими геометрическими размерами U-образного электромагнита.
Магнитную проницаемость некоторых ферромагнитных формо-
вочных материалов можно определить графически (см. рис. 9).
Вследствие малой магнитной проницаемости формовочного мате-
риала сердечник U-образного электромагнита практически разомк-
нут, поэтому напряженность магнитного поля внутри сердечника
устанавливается с учетом размагничивающего действия полюсов,
которое может быть учтено при расчете электромагнита, если в вы-
ражение (24) подставлять вместо цм магнитную проницаемость т,
являющуюся функцией геометрических параметров сердечника.
Для определения значения т сердечника U-образного электромаг-
нита можно пользоваться графиком зависимости магнитной прони-
цаемости т от отношения /М/Д (рис. 22).
Зная намагничивающую силу катушек возбуждения, можно уста-
новить соотношение между их электрическими, магнитными и кон-
структивными параметрами. Если предположить, что витки катуш-
ки распределены по всей длине б сердечника равномерно, то занятая
медью площадь окна обмотки Q определится по формуле
Q=/i.5./M , см2 . (26)
36
тде h —высота обмотки, см;
fK — коэффициент заполнения медью.
Величину Q можно выразить еще и следующим образом:
Q = 4. (27)
I
где j — максимально допустимая плотность тока, afcM2.
Из уравнений (26 и 27) можно определить высоту обмотки
Ь • (28)
°//м
Рис. 22. Зависимость магнитной
проницаемости т от /м /Д для
сердечника U-образного элект-
ромагнита при й/Д=1(1), 2(2),
4(3), 10(4) и 20(5)
Средняя длина витка /ср для прямоугольных катушек без учета
толщины каркаса определяется из равенства
/ср = 2(Ы- Д) + r.h. (29)
Теперь можно легко определить электрическую мощность Рэ,
потребляемую катушками возбуждения
Рэ=/2. Я = №-zcp t вт, (30)
где ico — намагничивающая сила катушки, а; \
р —удельное электрическое сопротивление провода обмотки,
ом-см;
/ср — средняя длина витка катушки, см;
Q —занятая медью площадь окна обмотки, см2.
Число витков катушки возбуждения определяется по следующей
формуле
ш=(й>Н/ (31)
Рэ
37
где U — напряжение источника питания, в.
Диаметр голого провода обмотки определяется из выражения
“=]/^’см- <32>
Полученные формулы (24—32) позволяют рассчитать намагни-
чивающее устройство в виде U-образного электромагнита по за-
данной величине индукции магнитного поля в форме. Намагничи-
вающее устройство в виде соленоида (см. рис. 20, г) представляет
собой обмотку возбуждения на цилиндрическом каркасе из немаг-
нитного материала. Особенность получения магнитных форм при
помощи соленоида заключается в существенном влиянии геометрии
формы на величину устанавливаемой в ней индукции магнитного
поля. В соленоиде магнитная форма образует незамкнутый магни-
топровод, что приводит к появлению магнитного поля, направлен-
ного навстречу магнитному полю соленоида (как и при использо-
вании сердечника U-образного электромагнита). Устанавливаемое
в форме размагничивающее поле зависит от параметра Z, определя-
емого из выражения.
(33)
где L — длина формы, измеряемая вдоль направления магнитного
ПОЛЯ;
S — площадь сечения формы в плоскости, перпендикулярной;
направлению магнитного поля.
Эффект размагничивания может быть охарактеризован магнит-
ной проницаемостью ц0- Магнитная проницаемость цо ряда ферро-
магнитных формовочных материалов для различных значений А.
исследована и определена (см. рис. 10). По заданной величине
индукции магнитной формы напряженность поля соленоида опре-
деляется следующим образом:
Но= —, (34)
Но
где В — заданная индукция магнитной формы, гс.
Для определения намагничивающей силы многослойного соле-
ноида, обеспечивающей получение необходимой напряженности
магнитного поля в центре соленоида, можно воспользоваться следу-
ющей формулой [50]:
где е — толщина обмотки;
L=2l — общая длина соленоида;
/?1 —внутренний радиус обмотки;
/?2 — внешний радиус обмотки.
38
По величине намагничивающей силы (35) легко определить па-
раметры соленоида: количество витков, диаметр провода, а также
потребляемую мощность. Для этого можно применить такой же
метод как и для расчета катушек U-образного электромагнита.
Соленоид создает неоднородное магнитное поле. При помеще-
нии формы в соленоид различные ее участки находятся в магнитных
полях разной напряженности, что вызывает неравномерность упроч-
нения. Поэтому важно знать распределение напряженности магнит-
ного поля вдоль оси соленоида. Нх — напряженность магнитного
поля в точке х на оси катушки определяется из выражения [50]
я, _ ± [ (;+х)1п «.+/«.+<'+»• +(; _ х) 1п
2£.[ «i+l
а‘см,
(36)
где х — расстояние от точки, для которой рассчитывают йапряжен-
ность поля, до центра катушки, см.
Формулы (24—36) позволяют оценить параметры намагничива-
ющих устройств.
Оценка параметров намагничивающих устройств. Для оценки
параметров намагничивающего устройства необходимо знать вели-
чину индукции магнитного поля, обеспечивающую достаточную
•прочность формы. Во втором разделе приведены формулы для оп-
ределения необходимой величины индукции. В качестве примера
приводится расчет магнитной формы для простой отливки.
Пусть необходимо получить отливку стальной плиты в магнит-
ной форме из материала ДСЛ-08. Даны следующие размеры: длина
плиты 2 а=300 мм, ширина—150 мм; высота потолка формы й=
= 80 мм', высота уровня расплава в чаше над поверхностью формы
/;' = 50 мм; высота Я=300 мм (обозначения — см. рис. 8), уф=
= 4,1 г/см3, <р = 26° (см. табл. 4) и tg<p = 0,49, а согласно формулам
(9) и (18) tgp = 0,62 и tgp'= 1,6. Из графика рис. 9 выбираем ц=8,
согласно формуле (21) принимаем ^=0,55. Из выражения (17) на-
ходим Йаф=324 мм.
Для определения величин индукций магнитного поля, обеспечи-
вающих необходимую прочность магнитной формы, следует вос-
пользоваться формулами (22):
7"/~4к-8-4,1-30-0,62(1—0,62-0,49)
|/ 7-0,55-0,49
= 380 гс,
। _ 4/’4д-8 - 4,1(30-8-0,35-0,49)
г~ |/ 7-0,55-0,49
о 7,/<4«.8Г7.5-Ю50(1,6-0,49)- 4,1-302-1,6(1 + 1,6-0,49)1 =
Bs== У----------:-------7.0:55:0^0 у 2300
1/^4^-8[7,5(5+8)-15—4,1-8(15+0,35-0,49)] _710
7-0,55-8-0,49
39
Из приведенного расчета видно, что индукция В3 является мни-
мой величиной. Это означает, что для выбранного вида материала
формы и отливки, а также заданных геометрических размеров необ-
ходимая прочность стенки магнитной формы, заполненной распла-
вом, может быть обеспечена и без постоянного магнитного поля.
. Наибольшее значение имеет индукция для заполненной расплавом
формы В4 = 710 гс. Принимая коэффициент запаса цм, равным 1,4,
получают величину индукции, обеспечивающую достаточную проч-
ность магнитной формы (В = 1000 гс) для отливки стальной плиты.
Полученную величину индукции проверяют на зарастание. Как вид-
но из графика (см. рис. 16), величина индукции 1000 гс = 0,1 тл не
переходит границы начала зарастания.
Для получения в формах различного размера заданной величи-
ны индукции В= 1000 гс необходимо правильно выбрать парамет-
ры намагничивающих устройств U-образного электромагнита или
соленоида. Выбор опоки того или иного размера определяется гео-
метрией отливки, количеством отливок в одной опоке, типом литни-
ковой системы, толщиной стенок формы и т. д. В табл. 7 приведены
Таблица 7
Параметры электромагнитов Значения параметров для опок размерами (аХвХс), мм
400X 400 X400 500 X 500X500 700x700X700 1000X1000X1000
Фф, МКС 1,6-10’ 2,5-10’ 4,9-10’ 10-10’
А, см 5 10 10 10
iva, гб 40-103 045-103, 63-103 115-10®
h, cmU =2а/^,\ \Ап=0,5 ) 9 8 8 10
Z.p, см 120 150 185 250
Рэ, вт((/=100в) 1300 1800 3200 8100
а 13 18 32 81
<0 2450 2000 1500 1100
S, мм2 6,5 9 16 40,5
параметры U-образных электромагнитов, определенные для опок
размерами от 400x400x400 мм до 1000Х1000Х1000 мм. Из графи-
ка зависимости потребляемой U-образными электромагнитами мощ-
ности от размера опок (рис. 23, а, кривая 1) видно, что с увеличе-
нием размера опок потребляемая мощность резко возрастает.
Расчеты показывают, что потребляемая мощность в значитель-
ной мере зависит от геометрии опоки и ее ориентации относитель-
но полюсов электромагнита. На рис. 23, б представлена зависимость
потребляемой мощности от соотношения сторон прямоугольных
опок. Каждой прямой соответствует относительное изменение толь-
40
ко одного размера а, b или с, при этом два других (Ьо и с0, а0 и со,
«о и Ьо) остаются постоянными и равными 700 мм. Представленный
график позволяет сравнивать мощность, потребляемую U-образны-
мн намагничивающими устройствами для опок разной геометрии,
но одинакового объема. Как видно из графика, более выгодными с
энергетической точки зрения являются электромагниты, проекти-
руемые с учетом расположения прямоугольных опок длинной сто-
роной вдоль направления магнитного поля.
Рис. 23. Зависимость мощности, потребляемой намаг-
ничивающими устройствами от размера опок (а) и
от их геометрии (б)
Известно £47], что напряженность магнитного поля вдоль оси
соленоида постепенно убывает от центра к его краям. Определять
параметры соленоида следует с учетом достижения заданной ин-
дукции магнитного поля на краях соленоида, так как из расчета
магнитных форм (см. пример для отливки плиты) следует, что наи-
большая индукция должна быть в районе потолка формы.
41
В табл. 8 приведены параметры соленоидов, рассчитанные для
опок различных размеров, а на рис. 23, а дан график потребляемой
мощности (кривая 2). Для возможности сравнения с U-образными
электромагнитами расчет проводили для опок, равных по объему
опокам, приведенным в табл. 7 (von=nR2iL = abc).
Таблица &
Параметры соленоида Значения параметров для соленоидов размерами, мм -
L 400 Rt 225 L 500 Rt 280 L 700 400 L 1000 Ri 550
Фф, МКС е, см(] =2 а) мм1, fM=0,5) /ср, см Рэ, вт i, a(U= 100 в) ш S, мм2 1,6-10’ 6 160 1400 14 1810 7 2,5-10’ 6 195 2000 20 1490 10 4,9-10’ 6 270 4000 40 1070 20 10-10’ 7 368 8000 80 840 40
При выборе устройства того или иного вида следует учитывать,
что неоднородность магнитного поля, характерная для соленоидов,
отрицательно влияет на стабильность магнитной формы, так как
достижение необходимой прочности одних частей формы может
приводить к зарастанию полостей других частей, оказавшихся в
более сильном магнитном поле. Некоторое уменьшение неоднород-
ности магнитного поля внутри соленоида может быть достигнуто
применением катушек со специальной намоткой [47], однако, это
связано с усложнением технологии изготовления соленоида и с
увеличением потребляемой мощности. Соленоиды в качестве намаг-
ничивающих устройств целесообразно применять для получения
отливок гильз. Так как магнитное поле соленоида направлено вдоль
оси, то модель гильзы можно располагать вертикально, что при
наилучших условиях упрочнения «болвана» (см. рис. 5, б) значи-
тельно облегчает его формовку.
В большинстве случаев, несмотря на необходимость изготовле-
ния массивного сердечника, более перспективными оказываются
U-образные электромагниты, основные преимущества которых за-
ключаются в следующем:
в зазоре сердечника U-образного электромагнита может быть
получено более однородное магнитное поле, следовательно, большая
равномерность свойств магнитных форм в различных сечениях и
более стабильные производственные результаты;
U-образный электромагнит позволяет иметь в установке для
магнитной формовки проходную позицию, что облегчает его встраи-
вание в поточную линию;
42
расположение катушек возбуждения ниже опоки уменьшает ве-
роятность попадания на них расплавленного металла при заливке
и делает установку более надежной.
Опоки и вибростол. Опоки для магнитной формовки в отличие
от обычных, представляют собой ящики с дном (контейнеры). В
связи с тем, что такая опока в установке для магнитной формовки
помещается в магнитное поле, к ней предъявляются специфические
требования.
Чтобы исключить шунтирование магнитного потока, дно и стен-
ки опоки, параллельные направлению магнитного потока, должны
быть сделаны из немагнитного материала. Несоблюдение этого тре-
бования ведет к искажению магнитного поля в форме. Различные
конструктивные элементы опоки, например цапфы, во избежание
искажения магнитного поля также следует изготовлять из немаг-
нитного материала. Опоки не должны увеличивать немагнитный
зазор между полюсами электромагнита и формой из намагничивае-
мого материала, для этого ее стенки, обращенные к полюсам элек-
тромагнита, следует изготовлять из ферромагнитного материала.
При нарушении этого условия увеличивается расход электрической
энергии на создание требуемой индукции магнитного поля в форме.
Кроме того, ферромагнитный материал стенок способствует также
лучшему упрочнению обращенных к полюсам пристеночных слоев
магнитной формы.
При получении в магнитных формах отливок по газифицируе-
мым пенополистироловым моделям желательно отсасывать газы,
выделяющиеся при разложении материала модели в процессе за-
ливки, для этого в опоках может быть предусмотрено второе Дно
151]-
В установке магнитной формовки должен быть предусмотрен
вибростол, основное назначение которого обеспечить плотное при-
легание ферромагнитного формовочного материала ко всей поверх-
ности пенополистироловой модели, включая полости и поднутрения.
Налагая вибрацию, желательно добиться псевдоожижения сыпуче-
го формовочного материала. Опыты показали, что для промышлен-
ной частоты f = 50 гц псевдоожиженное состояние в ферромагнит-
ном формовочном материале наступает при амплитуде колебаний
.4 = 0,5 мм. Это состояние характеризуется, например, тем, что пред-
меты, удельный вес которых больше удельного веса ожиженного
ферромагнитного формовочного материала, с легкостью опускают-
ся на дно коробки с исследуемым материалом, а трубки, фиксируе-
мые в горизонтальном положении в псевдоожиженном слое фер-
ромагнитного формовочного материала, полностью им заполняются.
Так, трубки длиной 300 мм и диаметром 30 мм за 10 сек вибрации
с частотой 50 гц и амплитудой 1,5 мм полностью заполняются псев-
доожиженным материалом до величины удельного веса, характер-
ного для уплотненного ферромагнитного формовочного материала.
При приложении небольшого усилия в псевдоожиженный слой
ферромагнитного формовочного материала может быть введена
43
пенополистироловая модель. С увеличением амплитуды колебаний
облегчается введение модели в псевдоожиженный слой формовоч-
ного материала, однако при этом возрастает вероятность ее по-
ломки.
Для вибростола установок магнитной формовки могут быть ис-
пользованы выпускаемые промышленностью дебалансные электри-
ческие вибраторы различной мощности, работающие на частоте
50 гц. Выбор вибратора той или иной мощности зависит от веса
колеблющихся частей (опоки с ферромагнитным формовочным ма-
териалом, плиты вибростола, веса самого вибратора) и выбранной
амплитуды колебаний. Величину момента дебаланса — параметр,
по которому следует подбирать электровибратор, можно определить
по следующей формуле:
Мд = Р • А ,
где Мя — момент дебаланса электровибратора, кгс см;
Р — вес колеблющихся частей, кг;
А — амплитуда колебаний, см.
ПРОИЗВОДСТВО ОТЛИВОК В МАГНИТНЫХ ФОРМАХ
Особенности технологии магнитной формы связаны с действием
следующих факторов:
1) подверженности магнитных форм зарастанию, величина ко-
торого для данного вида ферромагнитного формовочного материа-
ла при неизменной индукции магнитного поля зависит от ориентации
модели в форме относительно направления магнитного поля;
2) зависимости степени упрочнения ферромагнитного формовоч-
ного материала в постоянном магнитном поле от ориентации пред-
полагаемых плоскостей сдвига в форме относительно направления
магнитного поля;
3) лучшего смачивания железоуглеродистыми расплавами фер-
ромагнитного формовочного материала и меньшей его огнеупор-
ности по сравнению с песчано-глинистой смесью, создающих воз-
можность приваривания ферромагнитного формовочного материала
к поверхности чугунной или стальной отливки, если слой краски,
покрывающий модель, недостаточно прочный, недостаточно огне-
упорный или нарушена его сплошность;
4) значительного количества газов, выделяющихся при заливке
в результате разложения пенополистироловой модели;
5) возможности влияния постоянного магнитного поля на струк-
туру потока в литниковой системе и на кристаллизацию отливки в
процессе ее затвердевания;
6) повышенной теплоаккумулирующей способности ферромаг-
нитного формовочного материала по сравнению с песчано-глини-
стым, ускоряющей процесс затвердевания и дальнейшего охлажде-
ния отливок в магнитных формах.
44
Для получения отливок в магнитных формах используются такие-
же пенополистироловые модели, как и в обычных формах. Объем-
ную плотность материала модели выбирают в пределах 0,015—
0,035 г/см3 [52, 53]. Для индивидуального производства отливок мо-
дели изготовляют из блочного пенопласта механической обработ-
кой. Стоимость таких моделей в 5—10 раз меньше стоимости дере-
вянных моделей [4, 54]. В массовом производстве пенополистироло-
вые модели получают из гранул полистирола вспениванием в пресс-
формах. Наиболее распространенными являются ванный метод
вспенивания, метод теплового удара, а также метод вспенивания
токами высокой частоты [52, 55].
В последнее время для изготовления пенополистироловых моде-
лей стали применять автоматические установки [56, 57]. В зависи-
мости от конструкции отливки модель с литниковой системой изго-
товляют целиком в пресс-форме или же собирают из нескольких,
частей склеиванием. Небольшие модели соединяют «елочкой» на.
одном стояке. Сложные модели с большими внутренними полостя-
ми иногда собирают вместе с песчаными стержнями. Этим способом
изготовляли некоторые модели для получения опытных партий от-
ливок в магнитных формах: на автомобильном заводе фирмы
Deimler Benz (ФРГ), например, отливок головок блоков цилиндров-
с водяным охлаждением для дизельного двигателя грузового авто-
мобиля [58].
Ориентация моделей в магнитной форме. Для предотвращения
брака отливок, вызванного зарастанием полости формы, следуег
стремиться придать модели в форме такое положение, при котором
вероятность зарастания уменьшается и достигается достаточная
прочность формы при минимальной индукции постоянного магнит-
ного поля. Первое из этих условий удовлетворяется при располо-
жении модели в форме большим размером вдоль направления маг-
нитного поля (рис. 24, а). Расположение модели по схеме рис. 24, б
нежелательно. Второе условие следует учитывать при формовке
моделей с полостями, например, модели гильзы, которую распола-
гают в форме таким образом, чтобы ось полости была параллель-
на направлению магнитного поля (рис. 24, в). В этом случае воз-
можные плоскости сдвига, например АВ и СД, ориентированы пер-
пендикулярно направлению магнитного поля. Как видно, например,,
из рис. 13, при таком положении плоскостей сдвига достигается
максимальная величина магнитной связности и, следовательно,
«болван» из ферромагнитного формовочного материала может
иметь достаточную прочность при более низких значениях индукции
магнитного поля в отличие от ориентации модели по схеме, пока-
занной на рис. 24, г. Для более быстрого и лучшего заполнения го-
ризонтальных полостей моделей иногда предусматривают возмож-
ность наклона платформы вибростола с установленной опокой [26].
В ряде случаев возможно компромиссное решение, при котором
модель (типа гильзы) располагают в форме с небольшим, наклоном
к горизонту.
45-
Противопригарные покрытия для моделей. При литье по газифи-
цируемым моделям в песчаные и песчано-глинистые формы на пено-
полистироловые модели обычно наносят слой противопригарного
покрытия на основе поливинилбутираля, фенолформальдегидной
•смолы и др. [10. 59]. Однако опыт получения отливок по газифици-
руемым моделям в магнитных формах показал, что многие из этих
покрытий являются малопригодными для этого способа. Это объяс-
няется тем, что дисперсный ферромагнитный формовочный мате-
риал, по сравнению с кварцевым песком и песчано-глинистыми
Рис. 24. Схемы ориентации моделей в магнитной
форме относительно направления индукции магнит-
ного поля — В:
а, в—правильно; б, г — неправильно; 1 — модель плитки;
2 — модель гильзы
смесями, хорошо смачивается жидкими черными металлами и име-
ет более низкую температуру плавления и спекания. Во избежание
образования трудноотделяемого пригара ферромагнитный формо-
вочный материал должен быть отделен от расплава сплошным
слоем краски. Поэтому для магнитных форм непригодны противо-
пригарные покрытия частично и, тем более, полностью сгорающие
при контакте с высокотемпературными расплавами. Краска долж-
на обладать хорошей адгезией к поверхности модели, при высыха-
46
нии не давать трещин и иметь высокую механическую прочность,
так как дробь при засыпке в опоку и последующей вибрации дей-
ствует как абразив на поверхность модели — царапает и сдирает
краску.
При заполнении металлом полости литейной формы необходимо'
удалить газы, образующиеся в результате газифицирования модели.
Если применяют сифонный подвод металла, то газы оказываются
«запертыми» между поднимающимся расплавленным металлом и
газонепроницаемой моделью. Для того чтобы они могли выйти из-
зазора между моделью и расплавом наиболее простым и коротким
путем — через стенку формы, слой краски, остающийся на стенке-
после газифицирования модели, должен быть газопроницаемым.
Создание плотной, прочной и, вместе с тем, газопроницаемой крас-
ки является трудной задачей, так как, кроме того, она не должна
содержать выгорающих добавок. Одна из возможностей увеличе-
ния газопроницаемости краски заключается в уменьшении толщи-
ны покрытия при условии хорошей адгезии.
При окрашивании модели в один и два слоя красками на основе
поливинилбутираля, формальдегидной смолы, смолы 101М извест-
ных составов [10, 59] отливки имели значительный пригар; покры-
тия из трех и четырех слоев уменьшают пригар, но поверхность-
отливки получается все же грубая, из-за того, что связующий ком-
понент краски выгорает и расплав воспроизводит зерновое строе-
ние дроби.
Наилучшце результаты были получены при применении краски
яа основе этилсиликата (не содержащей в качестве растворителя
ацетона или спирта), разработанной на ЗИЛе для литья по выплав-
ляемым моделям. Как показали опыты, замена в этой краске мар-
шалита цирконовым концентратом (табл. 9) улучшает чистоту по-
верхности стальных отливок. В Институте проблем литья АН УССР
разработана специальная краска для производства чугунных отли-
вок (табл. 10) [60]. Представляет интерес также краска (табл. 11),
в которой в качестве наполнителя используется железный порошок
[61].
При получении в магнитных формах из ПЖ1М отливок чугун-
ных и стальных плиток на их поверхности образовывалась корка
толщиной около 10 мм в результате спекания порошка. Из-за повы-
шенной склонности к спеканию частиц ферромагнитный материал
ПЖ1М можно использовать в качестве формовочного лишь для
получения отливок из легких сплавов.
Противопригарное покрытие на основе этилсиликата (см.
табл. 9) применяли для получения стальных отливок с внутренни-
ми полостями без использования стержней. Пенополистироловую-
модель с внутренними цилиндрическими полостями длиной 50 мм
и диаметрами 10, 30 и 60 мм покрывали одним слоем краски. Мо-
дели в форме ориентировали таким образом, чтобы оси полостей
оказались параллельными линиям индукции магнитного поля. Для.
изготовления формы использовали дисперсные ферромагнитные-
47
Таблица 9
Составляющие противопригарного покрытия Содержание, вес. %
ЭТС 40 Вода Соляная кислота Серная кислота Мар шалит или цирконовый кон- центрат 7,2 1,6 0,65 0,15 76 Таблица 10
Составляющие противопригарного покрытия Содержание, вес. %
Фенолформальдегидная смола Бориая кислота Поливинил бутир аль Вспученный перлит Этиловый спирт 9—11 0,06—0,08 2—3 7—9 Остальное Таблица 11
Составляющие покрытия Содержание, вес. %
Вода Мар шалит Железный порошок Бентонит Декстрин Пентахлорофинат натрия 41 37 , 18 2,51 1,4 0,06
материалы ДСК-08 и ДЧЛ-08, упрочняемые магнитным полем в
0,03 и 0,05 тл соответственно. Заполнение полостей формовочным
материалом осуществляли на вибростоле при амплитуде вибрации
1,5 мм и времени вибрации 10 сек. Полученные отливки имели
чистую поверхность (без пригара) даже в самой узкой полости
диаметром IO.m.w (рис. 25).
При изготовлении толстостенных отливок, в особенности из вы-
соколегированных сталей (например, 5ХНМ и др.), для получения
чистой поверхности могут потребоваться сравнительно толстые (в
несколько слоев) и плотные покрытия моделей. Газопроницаемость
48
такого покрытия весьма мала, и при сифонной заливке формы
«кипят». Для вывода газов из литейной полости в таких случаях
необходимо применять специальные приемы: вентиляцию формы,,
установку стержней, изготовление полых моделей и др.
Вентиляция полости формы. При литье по газифицируемым мо-
делям в песчаные формы рекомендуется, чтобы скорость подъема
уровня металла в литейной полости составляла 1—3 c.vjceu [23]. Эти
рекомендации используют и при заливке магнитных форм. В этом
случае между уровнем расплава и газифицируемой моделью пред-
полагается наличие зазора. Как указывалось выше, краска для га-
зифицируемых моделей, применяемых в магнитных формах из-за
Рис. 25. Стальная отливка, полученная
в магнитной форме без применения
стрежней
большей прочности и отсутствия выгорающих добавок, обладает
пониженной, а в ряде случаев даже «нулевой» газопроницаемостью,,
что затрудняет или делает невозможным прямой выход газов из
зазора через стенку формы.
В зависимости от принятой системы подвода металла применя-
ют различные способы вентиляции магнитных форм (рис. 26). При
сифонной заливке газы удаляются из зазора между расплавом и
моделью только через стенки формы, если краска обладает газо-
проницаемостью (рис. 26, а), составы приведены в табл. 9—11. В
случаях применения более плотных и менее газопроницаемых кра-
сок (например, для массивных отливок из высоколегированных
сталей) улучшить условия отвода газов можно, используя способы,
показанные на схемах рис. 26, б-е.
При сифонной заливке форм модели выполняют со сквозными
каналами (рис. 26, б) или полыми (рис. 26, в). Выходные отвер-
стия из модели закрывают стержневыми пробками, или при фор-
мовке в них вставляют модель выпора (из дерева, алюминия или
другого немагнитного материала), удаляемую после наложения
магнитного поля. При этом в форме образуются сквозные полые
каналы, через которые в процессе заливки легко удаляются газы.
Устройство выпора нежелательно, так как к металлу приваривает-
ся дробь. Полые модели дают хорошие результаты, но при малой
толщине стенок в отливке образуются углубления («канавки») из-
49
Рис. 26. Способы вентиляции литейной полости и системы подвода металла:
а, б, в, г—-сифонный подвод металла; д — щелевой; е —верхний;
/—ферромагнитный формовочный материал; 2 —снфоииый подвод металла; 3 — ра-
сплав; 4 —газовый зазор; 5—модель из пенополистирола; 6 — слой краски; 7 —вен-
тиляционные каналы: 3 —участок модели, не покрытый краской; 9— стержневая
пробка; 10 — выпор; 11 — стержень внутренний; /2 — стержень внешний; 13 — щелевая
подводяще-пнтающая литниковая система; 14 — чаша с диафрагмой; 15 — прибыль
(стрелками показано направление движения газов)
50
за зарастания и теплового расширения дроби (дефект типа «ужи-
мин» в песчаной форме). Наилучшие результаты при сифонной за-
ливке достигаются при отводе газов через стержни (рис. 26, г),
образующие полости в отливке, или специальные наружные стерж-
ни, приставляемые к модели. Поверхности контакта стержня и мо-
дели не следует окрашивать. В массовом производстве отливок
стержень, образующий полость, делают «по ящику» и затем уста-
навливают в полость модели. Если полость замкнутая, модель-
выполняют из двух частей и после установки стержня их склеивают.
В условиях индивидуального или серийного производства можно
не изготовлять стержень, а засыпать холоднотвердеющую смесь не-
посредственно в полость модели.
Некоторые дополнительные способы вывода газов из литейной
полости (рис. 26, д, е) рассматриваются далее при описании кон-
струкций литниковых систем.
Литниковая система для магнитной формовки должна быть ком-
пактной, а модель ее, выполненная из пенополистирола, должна
обладать достаточной прочностью. Разветвленная система при за-
сыпке опоки дробью и вибрировании может сломаться. В случаях,
когда необходима боковая прибыль, наиболее удобны подводяще-
питающие системы с заливкой через прибыль.
Другая особенность литниковых систем для магнитной формов-
ки заключается в том, что ее конструкция должна выбираться с
учетом создания требуемого газового режима. В ряде случаев ка-
налы литниковой системы удается использовать для вывода газов-
из полости формы.
Все эти разнообразные функции — заполнение формы, питание
отливки, удаление газов из литейной полости — при соблюдении
условия компактности конструкции наиболее эффективно выполня-
ют подводяще-питающие системы со свободно падающей струей,
которая формируется диафрагмой, установленной з чаше
(рис. 26, д, е). Скорость заливки регулируется размером отверстия
в диафрагме. Сечение канала, соединяющего прибыль с литейной
полостью, зависит только от толщины стенки отливки. Как видно
из приведенных схем, литниковые системы со щелевыми питателя-
ми (см. рис. 26, д) и системы с верхним подводом металла (см.
рис. 26, е) не только выполняют основные функции, но и позволяют
удаляться газам.
Еще одна особенность заполнения магнитных форм расплавом —
заливка в условиях действия постоянного магнитного поля. Как
известно [62], в токопроводящем расплаве, движущемся по каналам
литниковой системы, наблюдается эффект Гартмана (уплощение
профиля скорости в ядре и увеличение градиента скорости у стенок,
приводящие к возрастанию коэффициента сопротивления), а также
эффект подавления турбулентности, снижающий коэффициент соп-
ротивления. В зависимости от взаимной ориентации магнитного
поля и направления движения жидкого металла соотношение меж-
ду этими двумя эффектами может существенно меняться. При тече-
51
нии расплава вдоль направления магнитного поля эффект Гартма-
на отсутствует и наблюдается лишь эффект подавления турбулент-
ности, а при течении расплава в направлении, перпендикулярном
магнитному полю, эффект Гартмана обычно превалирует, что при-
водит к возрастанию коэффициента сопротивления. Однако, как
показали оценочные расчеты, влияние постоянного магнитного поля
индукцией около 0,1 тл на скорость расплавов, заливаемых в маг-
нитную форму, весьма мало. Эксперименты также не выявили влия-
ния магнитного поля на время заполнения форм расплавами черных
металлов. Это дает основание конструировать и рассчитывать лит-
никовые системы для магнитных форм без учета магнитогидроди-
намических эффектов, возникающих в движущихся по литниковым
каналам расплавах.
Влияние магнитной формы на кристаллизацию и структуру
•отливки. Известно, что на кристаллизацию расплавов существенно
влияет движение жидкого металла в процессе его охлаждения.
При отсутствии внешнего воздействия на расплав жидкий металл
в затвердевающей отливке может перемещаться из-за разности
плотностей в расплаве, возникающей вследствие наличия термо-
градиентов, наблюдаемых как в сплавах, так и в чистых металлах,
а также вследствие избирательного затвердевания компонентов
(только в сплавах). Как показали эксперименты Г. Колли и Г. Бол-
линга [63], естественная конвекция играет существенную роль в
процессе кристаллизации.
Иногда для улучшения свойств отливок интенсифицируют дви-
жение жидкой части затвердевающего расплава, применяя элект-
ромагнитное перемешивание, вибрацию, встряхивание и т. п. Внеш-
нее воздействие, оказываемое постоянным магнитным полем на
расплав, затвердевающий в магнитной форме, может приводить к
обратному результату. Объясняется это тем, что в естественных
конвективных потоках может возникать индуцированное магнитное
поле, которое, взаимодействуя с внешним магнитным полем, прони-
зывающим отливку, тормозит эти конвективные потоки. Ослабле-
ние естественного перемешивания расплава может привести к
укрупнению кристаллитов, росту зоны столбчатых кристаллов в
отливке, а значит и к ухудшению механических свойств.
Для изучения степени влияния магнитного поля на первичную
кристаллизацию расплава была выбрана аустенитная сталь марки
Х18Н9Л. После затвердевания она не имеет фазовых превращений
и картина первичной кристаллизации не искажается. Кроме того,
эта сталь склонна к транскристаллизации и дает четкую макро-
структуру. Цилиндрические образцы диаметром 50 и высотой 100 мм
отливали в формах из ДСК-08, помещенных в магнитное поле ин-
дукцией 0,1 тл, и без поля. Чтобы сопоставить степень влияния
магнитного поля с влиянием других известных факторов [64], образ-
цы заливали металлом без перегрева и с перегревом — составы
приведены в табл. 12.
52
Таблица 12
Температура заливки, °C Химический состав заливаемого сплава, %
с Si Мп Сг Ni S Р
1500 0,21 0,52 0,59 17 10 0,024 0,026
1560 0,39 0,66 1,32 18 10 0,02 0,018
Для оценки влияния типа формовочного материала на первич-
ную кристаллизацию одновременно заливали образец в песчано-
глинистую форму. Сопоставление образцов показало, что при индук-
ции В = 0,1 тл, поле не оказало заметного влияния на макрострук-
туру. Влияние материала формы было заметно. Влияние температу-
ры заливки — наибольшее по сравнению с влиянием других факто-
ров. Отсутствие ожидаемого влияния магнитного поля можно
объяснить его сравнительно малой индукцией и относительно вы-
соким удельным сопротивлением расплава. В опытах со сплавом
А1—Си [65] влияние магнитного поля при индукции 0,2 тл на транс-
кристаллизацию было четко выявлено.
Исследовали [40] также твердость и структуру чугунных образ-
цов, залитых в формы из песчано-глинистой смеси, ферромагнитно-
го формовочного материала ДСК-08 и в чугунный кокиль (табл. 13).
Таблица 13
Толщина ступени образца, jkjk Твердость по Бринеллю образцов, залитых в различные формы
песчаио-глн- ннстая форма магнитная форма чугунный кокиль
' 6 321 331 415
12 262 308 363
18 255 302 344
24 255 294 341
30 255 285 341
Образец представлял собой клиновую пробу со ступенями различ-
ной толщины. Пробы заливали чугуном одной плавки состава:
3,54% С; 2,6% Si; 1,0% Мп; 1,0%. Сг; 0,08% Ni; 0,08% Ti; 0,5% Mo;
0,15% Р; 0,085% S.
Из табл. 13 видно, что образцы, полученные в магнитных фор-
мах, занимают промежуточное положение по твердости по сравне-
нию с полученными в песчано-глинистых формах и кокиле. Это
объясняется теплофизическими свойствами материала форм. Следу-
53
ет отметить, что более высокая скорость охлаждения отливок в
магнитных формах по сравнению с формами из песчано-глинистых
смесей не приводила к заметному увеличению отбела. Так, толщи-
на клина на границе отбеленной зоны в песчано-глинистой форме
была равна 2,1, в магнитной форме—2,4, в кокиле—6 мм. Если от-
бел все же образуется, то рекомендуется [22] для его ликвидации
вводить в расплав 0,2% ферросилиция, а также использовать в ка-
честве формовочного материала смесь стального песка и природ-
ного магнетита.
Рис. 27. Вставки в обрезные штампы, полученные в магнитных
формах
Сравнение микроструктур образцов показало, что хотя по вели-
чине графитовых включений и дисперсности перлита образцы, за-
литые в магнитные формы, занимают среднее положение, все же
структура их ближе к структуре образцов, полученных в формах
из песчано-глинистых смесей.
Опыт получения реальных отливок. Способ магнитной формовки
опробовали на ЗИЛе для изготовления из стали 5ХНМ вставок к
обрезным штампам, ранее получаемым способом литья по выплав-
ляемым моделям. Припуски на обработку были оставлены такими
54
же, как и у отливок, изготовляемых методом литья по выплавляе-
мым моделям. Изготовленные матрицы и пуансоны, а также их
модели показаны на рис. 27. В кузнечном цехе ЗИЛа были прове- ”
дены испытания на износ изделий, полученных методом магнитной
формовки. Стойкость опытных матриц для детали «крестовина кар-
дана» была выше стойкости существующих матриц в среднем на
25% и составила 1000 изделий. Для детали «рычаг нажимного дис-
ка сцепления» стойкость опытных матриц и пуансонов была выше
стойкости существующих в среднем на 40% и составила 10 000 и
14 000 изделий соответственно.
Повышение стойкости экспериментальных вставок в штампы
можно объяснить следующим:
при газификации пенополистироловой модели происходит на-
углероживание поверхности и, следовательно, увеличение твердос-
ти стальных отливок;
повышенная теплоаккумулирующая способность и низкая на-
чальная температура магнитной формы способствуют получению
отливок с более мелкой первичной структурой, а следовательно, и
более плотных, чем при литье по выплавляемым моделям.
На московском заводе «Борец» в магнитных формах получали
Отливку «седло клапана компрессора», а на заводе «Станколит» —
отливку втулки к станку 16К20.
Отливка седла клапана сложная, поэтому по заводской техно-
логии ее получают в стержнях, причем вес стержней составляет
примерно 50% от веса отливки. Большой расход стержней и значи-
тельный объем работ по их изготовлению делают целесообразным
изготовление данной отливки методом магнитной формовки.
Необходимость иметь строго перлитную структуру в отливке
втулки для станка 16К20 и ограниченные возможности подбора
шихты в производстве не позволяли получать эту отливку с отвер-
стием. На заводе отливку получали из «твердого» чугуна и без от-
верстия, так как иначе отливка имела отбел, а другой — «мягкий»
давал ферритную структуру. Применение теплопроводного намаг-
ничиваемого формовочного материала (ДСК-08) позволило, при-
меняя «мягкий» чугун, получить перлитную структуру для полой
детали.
Газифицируемые пенополистироловые модели получали в алю-
миниевых пресс-формах (рис. 28), заполняя их полости подвспенен-
ными гранулами пенополистирола ПСБ-Л с помощью сжатого воз-
духа. Окончательное вспенивание проводили в кипящей воде при
кратковременной подаче перегретого пара. Применяли литниковую
систему, показанную на рис. 26, е; диаметр диафрагмы зависел от
количества моделей на одном стояке. В качестве формовочного
материала использовали дробь ДСК-08. Формовку производили
на вибростоле (амплитуда вибрации 1,5 мм, время вибрации 10 сгк).
Индукция магнитного поля при получении отливки седла клапана
составляла 0,05 тл и для втулки 0,075 тл. Полученные отливки и
модели показаны на рис. 29.
55
Рис. 28. Пресс-формы для изготовления пено-
полистироловых моделей клапана (а) и втул-
ки (б)
Рис. 29. Отливки и модели клапана (а) и втулки (б), полученные в
магнитных формах
56
В работах [22, 43, 58, 66] приведены примеры других отливок,
изготовленных в магнитной форме. Хорошее качество поверхности
получаемых отливок (рис. 30), отсутствие швов, заливов и формо-
вочных уклонов вследствие применения неразъемной формы, исклю-
чение смесеприготовительных работ и другие достоинства позволя-
ют рекомендовать магнитные формы для определенной номенкла-
туры отливок.
Рис. 30. Шероховатость поверхности отливок, получен-
ных следующими способами [1]:
/ — лнтье под давлением; 2 — литье по выплавляемым моделям;
3 — оболочковое литье; 4— литье в песчаные формы; 5 — литье
в магнитные формы
Для оценки рациональных областей применения способа магнит-
ной формовки следует рассмотреть некоторые особенности нового
процесса, оказывающие влияние на выбор номенклатуры отливок.
Из-за необходимости применения намагничивающих устройств
ограничены размеры отливок, получаемые новым способом. При
увеличении габаритов опоки потребляемая намагничивающими
устройствами электрическая мощность быстро возрастает (см.
рис. 23), кроме того, значительно усложняется технология изготов-
ления катушек и магнитопровода, резко увеличивается их вес, а
следовательно, и стоимость. При получении крупных отливок фор-
мы должны дольше находиться в магнитном поле до момента за-
твердевания расплава, а это ограничивает производительность
установок магнитной формовки больших габаритов. Предваритель-
ный анализ показывает, что отливки весом более 40—50 кг нера-
ционально получать способом магнитной формовки. Размеры опок
не должны превышать 800—1000 мм.
Применение разовой пенополистироловой модели, газифицируе-
мой в процессе заливки металлом, необходимость изготовления в
большинстве случаев пресс-форм для моделей также ограничивают
номенклатуру отливок.
57
Одно из достоинств нового способа, компенсирующее расходы
на разовые модели и пресс-формы, — возможность отказа от стерж-
ней. Если ориентировочно приравнять стоимости изготовления
Рис. 31. Сравнительная стоимость стержневой смеси,
использующейся в горячих ящиках, и пенополисти-
рола удельного веса 0,025 г)см3 в зависимости от их
объема
стержневого ящика и пресс-формы для пенополистироловой моде-
ли, то будет экономически выгодно изготовлять новым способом
отливки, получаемые по базовой технологии со стержнями, стои-
мость которых выше стоимости разовой модели (рис. 31).
Выводы
Применение магнитных форм позволяет отказаться от дорогих
и громоздких установок для приготовления формовочных смесей,
упрощает контроль качества формовочных материалов. Исключе-
ние операций извлечения модели и сборки форм дает возможность
получать отливки без формовочных уклонов, швов и заливов, что
повышает размерную точность отливок и уменьшает расход ме-
талла.
Ферромагнитный теплопроводный формовочный материал поз-
воляет сократить период охлаждения отливки и повысить их точ-
ность. Во многих случаях получение отливок новым способом воз-
можно без применения стержней.
В настоящее время имеется опыт получения чугунных отливок
головок блока цилиндров для двигателей грузовых автомобилей
(завод Deimler Benz, ФРГ), матриц и пуансонов для горячей и хо-
лодной обрезки облоя (ЗИЛ), втулок опоры ходового винта (завод
«Станколит»), тракторных гильз и деталей тормозных устройств
(Институт проблем литья АН УССР) и др.
Основываясь на опыте получения отливок из черных сплавов
способом магнитной формовки и учитывая особенности нового про-
цесса, ограничивающие его применение, можно установить наибо-
лее рациональные области применения литья в магнитные формы:
1) сложные отливки весом до 40—50 кг, наибольшим размером
до 800 мм, получаемые по обычной технологии со стержнями. В
этом случае переход на литье в магнитные формы позволит значи-
тельно сократить расходы, связанные с изготовлением формовоч-
ных и стержневых смесей и очисткой отливок;
2) некоторые отливки, получаемые обычно литьем по выплав-
ляемым моделям, например, вставки в штампы, режущий инстру-
мент и т. п. Изготовление таких отливок в магнитных формах, кро-
ме значительного уменьшения стоимости литья, способствует повы-
шению их износостойкости;
3) рад отливок, на качестве которых благоприятно сказывается
эффект увеличенной теплоаккумуляции магнитных форм. Напри-
мер, отливки деталей гидро- и пневмоустройств и т. п., требующие
повышенной плотности и герметичности металла.
Перечисленные достоинства магнитных форм и имеющийся опыт
получения отливок позволяют считать, что метод магнитной фор-
мовки может найти широкое применение в машиностроении вооб-
ще и в станкостроении в частности.
ЛИТЕРАТУРА
1. Bel ley P. R. Foundry Technology L. Butterworths, 1972.
2. C h a m b e r 1 a i n R. G. Polystyrene patterns for machine tool castings. —
«Brit. Foundryman», 1972, 65, nr. 7.
3. Earle H. Welchel Hitehener foundry pionears process using formed plastic
patterns. — «Canadian Machinery and met». 8, 1965.
4. Yahagi K., Tashiro T., Utsu J., Fujiwara T. — «Umono, Jmono, J.
Jap. Foundrymenc, Soc.», 1971, 43, nr 9, 828—829.
5. Vollformguss «Industrie — Anzeiger», 1972, 94, nr 14, 310.
6. Патент ФРГ № 1301439.
7. Патент ФРГ № 1108861 от 12.04. 1958 г.
8. И в а н о в В. Н. и др. Технологические особенности процесса литья по гази-
фицируемым моделям. — Сб. «Производство отливок по пенополистироловым
моделям». М., НИИМАШ, 1966.
9. Носова Е. М. и др. Производство литья методом газифицируемых моделей.
М., ЦНИИТЭстроймаш, 1968.
10. Чудновский А. Р. Литье по моделям из пенопласта. М., Химнздат, 1970.
11. Шу л як В. С. Исследование метода литья по газифицируемым моделям и»
пенополистирола. Автореферат диссертации на соискание ученой степени канд.
техн. наук. МАМИ, 1967.
12. А л е к с е е в М. В. Беспрессовый способ получения пенополистироловых изде-
лий, их свойства и применение. ГОСИНТИ, 1963.
13. Степанов Ю. А. и др. Технологические вопросы механизации и автомати-
зации процесса литья по газифицируемым моделям. М., «Машиностроение»,
1967.
14. Патент США № 3157924.
15. Патент ФРГ № 1203920.
16. Dieter Н. В. Binderless dry-sand moulds. — «Foundry Trade Journal» 1964,
nr 2505.
17. Butler R. D. The full mould casting process. — «British Foundryman», 1964,
vol. 57, nr. 6.
18. Butler R. D., Pope R. J. Some factor involved in full mould casting with
inbouded sand moulds. — «British Foundryman», 1964, vol. 57, nr. 7.
19. Butler R. D., Pope R. I. Full mould casting with unbonded sand molds.—
«Modern Castings», 1965, vol. 8, nr. 1.
20. Москалев В. Г. Исследование влияния технологических факторов иа ка-
чество чугунных отливок при литье по газифицируемым моделям. Авторефе-
рат диссертации на соискание ученой степени каид. техн. наук. МВТУ, 1971.
21. Webster Р. D. Possible use of plastic chaplets. — «British Foundryman»,
1965, nr 11.
22. Witt m os er A., Hofmann R. Vollformgiessen von Massengussteilen
«35 Internationale Giesserei Kongress», Kyoto, 1968.
23. Степанов Ю. А., Москалев В. Г. Факторы качества чугунных отливок
по газифицируемым моделям. — «Литейное производство», 1972, № 7.
24. В и т т м о з е р А., Хофманн Р. Магнитная формовочная установка типа
MFA. Проспект фирмы Браун, Бовери и К°- Манихайм, ФРГ.
25. Wittmoser A. Ulivanjev magnetno utrjene forme. — «Livar. vestn.», 1970,
17, № 2, 53—57.
26. Wittmoser A., Hofmann R. Magnetformverfahren. «Giesserei», 55
(1968), nr 17, S. 517, 518.
27. T а м м И. E. Основы теории электричества. M., «Наука», 1966.
28. Гольдштейн М. Н. Механические свойства грунтов. М., «Стройиздат»,
1971.
29. Н н ч и п о р о в и ч А. А. Сопротивление связных грунтов сдвигу. М., Госстрой-
издат, 1948.
30. Косяков В. Ф. Коэффициент текучести формовочных смесей. — «Литейное
производство», 1961, № 7.
31. Орлов Г. М. Некоторые закономерности механики формовочной смеси.
Известия вузов. «Машиностроение», 1970, № 11.
60
32. Ма ело в Н. Н. Инженерная геология. Госстройиздат, 1957.
33. Берг П. П. Основы учения о формовочных материалах. М., Машгиз, 1948.
34. 3 а л ь ц м а н Ю. Е. Расчет магнитных форм. — «Литейное производство»,
1973, № 5.
35. Зальцман Ю. Е. К расчету магнитных форм. В кн.: Седьмое рижское со-
вещание по МГД, II, Рига, «Зинатне», 1972, с. 227.
36. С л и в и и с к а я А. Г., Гордон А. В. Постоянные магниты, М., «Энерго-
издат», 1965.
37. Хоу Б. К- Основы инженерного грунтоведения (пер. с англ.). М., «Стройиз-
дат», 1966.
38. Ц ы т о в нч Н. А. Механика грунтов. М., Стройиздат, 1963.
39. Ефимов Ф. Т., Фролов Н. Г. Металлические дробь и песок. М., Машгиз,
1963.
40. Зальцман Ю. Е. и др. Свойства ферромагнитных формовочных материа-
лов. В кн.: Седьмое рижское совещание по МГД, П., Рига, «Зинатне», 1972,
с. 230.
41. Рабинович Б. В., Зальцман Ю. Е. Прибор для определения усилий
сдвига дисперсных ферромагнитных материалов. Заявка № 1726758 от 20.12.
1971.
42. Успенский А. К. Выбор вида и нахождение параметров эмпирической
формулы. М„ МИЭМ, 1960.
43. III у л я к В. С. и др. Получение отливок в формах из металлического песка
в магнитном поле. —«Литейное производство», 1971, № 9.
44. В е й н и к А. И. Тепловые основы теории литья. М., Машгиз. 1953.
45. Преображенский А. А. Магнитные материалы. М., «Высшая школа»,
1965.
46. Зальцман Ю. Е., Микельсон А. Э. Влияние магнитного поля на неко-
торые свойства магнитных форм. — «Известия АН Латв. ССР», серия физи-
ческих и технических наук, 1973, № 1.
47. К и ф е р И. И. Испытание ферромагнитных материалов. М. — Л., Госэнерго-
издат, 1962.
48. Буль Б. К. Основы теории и расчета магнитных цепей. М. «Энергия», 1964.
49. Постоянные магниты. Справочник. М. — Л., Госэнергоиздат. 1963.
50. Штамбергер Г. А. Устройства для создания слабых постоянных магнит-
ных полей. Новосибирск, «Наука», 1972.
51. Патент ФРГ № 1301440 от 3.02.68.
52. К и р п и ч е и к о в В. П. и др. Технологические режимы изготовления пено-
полистироловых моделей — Сб. «Производство литья по пенополистироловым
моделям». М., НИИМАШ, 1968.
53. ip х и м е ц А. А. и др. Производство литья методом газифицируемых моделей
из пенополистирола. — Сб. «Производство отливок по пенополистироловым
моделям». М., НИИМАШ, 1966.
54. Arnost Маса, Josef Sedlak. Uprava spalitelnych modelu a technolo-
gic bezdutinovych forem. — «Slevarenstvi», 1970, 18, пг 3—4, 92—94.
55. Немков В. С. Производство изделий из пенополистирола при высокочастот-
ном нагреве. — «Пластические массы», 1965, № 11.
56. Expanded polysturene patterns. — «Foundry Trade Journal», 1963, vol. 114,
nr 2425, 697.
57. «Plates Technology», 1964, 10, 13, 17.
58. Wittmoser A., S t e i n a c k K., Hofmann R., Moglichke.iten der indust-
riellen Anwendung des Magnetformverfahrens zur Herstellung von Massen-
gussteilen. «38 Internationaler Giessereikongress». Diisseldorf, 1971.
59. О з e p о в В. А. и др. Литье по моделям из пенопласта. М., «Машинострое-
ние», 1970.
60. Шуляк В. С. и др. Краска для пенополистироловых моделей. Авт. свид.
№ 346012, Бюл. изобр. № 23, 1972.
61. Патент Англии № 1281082 от 30.01. 1969.
62. Ли ел ау си с О. А. Гидродинамика жидкометаллических МГД устройств.
Рига, «Зинатне», 1967.
61
63. С о 1 e G., В о 11 i п g G. F. Trans. Met. Soc. A. J. M. E. 1965, vol. 233, p. 1568.
64. Гуляев Б. Б. Затвердевание и неоднородность стали. М., Металлургиздат,
1950.
65. U h 1 m а n и D. R., Seward Т. Р. and Chalmers В. The Effect of Magnetic
Fields on the Structure of Metal Alloy Castings. Trans. Met. Soc. A. J. M. E.,
1966, vol. 236, 527.
«66. Закута M. Б., HI у л я к В. С., П а и а с ю к Л. С. Получение отливок в маг-
нитных формах. — Сб. «Автоматизация и механизация смесецриготовления,
формовки, выбивки, очистки и обрубки», Киев — Днепропетровск, 1971.
СОДЕРЖАНИЕ
Введение.....................................................В
Основы применения намагничиваемых дисперсных материалов в качестве
формовочных..................................................4
Свойства ферромагнитных формовочных материалов и магнитных форм 18
Конструкции и выбор параметров устройств магнитной формовки . . 33
Производство отливок в магнитных формах.....................44
Выводы.................................................. ... 58-
Литература .................................................60