Глава 4. Литье.

§ 4.1. Некоторые свойства жидких расплавов.

При нагревании твердого тела подводимое к нему тепло расходуется, в основном, на увеличение запаса внутренней энергии кристалла (кинетической энергии тепловых колебаний и потенциальной энергии взаимодействия частиц, находящихся в узлах кристаллической решетки). Сильное нагревание приводит к переходу вещества из кристаллической фазы в жидкую (плавление) или в газообразную (сублимация, возгонка). Это происходит при такой температуре, когда смещения атомов из положения равновесия соизмеримы с равновесными расстояниями между ними в решетке.

Плавление твердого тела начинается при определенной температуре, называемой температурой плавления Т_пл. Процесс плавления происходит при постоянной для данного давления Т_пл и соответствует одновременному существованию твердой и жидкой фаз. Количество тепла, которое необходимо подвести к единице массы твердого тела при постоянной температуре Т_пл для осуществления плавления, называется удельной теплотой плавления _пл. В таблице 2.4 приведены некоторые значения _пл [Дж/кг]. Следует отметить, что наиболее легкоплавкими являются сплав Вуда _пл = 0,35*10⁵ , свинец _пл = 0,22*10⁵.

Для большинства веществ с увеличением давления температура плавления повышается.

Обычно жидкие растворы изотропны. Молекулы жидкости совершают тепловые колебания около положения равновесия со средней частотой, близкой частотам колебаний атомов в кристаллах и амплитудой, определяемой свободным объемом, предоставленным молекуле ее соседями. По истечении некоторого времени , время релаксации, эти положения равновесия смещаются на расстояния порядка 10^-8см. Такие перемещения совершаются в виде активированных скачков с преодолением потенциального барьера, энергия которого обусловлена связью с соседними частицами. Время релаксации уменьшается с ростом температуры.

Действие внешних сил, стремящихся изменить форму жидкости и обуславливающих ее текучесть, связано с временем релаксации . Если время внешнего воздействия мало по сравнению с временем релаксации, то частицы жидкости не успевают изменить своего положения. Текучесть здесь не проявляется. Если же это время велико по сравнению с  , то за это время частицы много раз перемещаются из одного положения равновесия в другое, и такие перемещения, быстро следующие друг за другом, проявляются в текучести жидкости.

Много фактов свидетельствуют о сходстве жидкостей с твердыми телами.

Ренгеноструктурный анализ показал, что расположение частиц в жидкостях при температурах, близких температуре кристаллизации, не является хаотическим. Рентгенограммы жидкостей при невысоких температурах сходны с рентгенограммами поликристаллических твердых тел. Жидкость можно рассматривать как тело, состоящее из очень большого числа беспорядочно ориентированных кристалликов субмикроскопических размеров.

При плавлении твердых тел увеличение объема не очень велико (до 10%), т.е. расстояния между частицами в жидкости и в твердом теле близки. В расположении их в твердом и жидком состояниях имеется сходство. Соотношение теплоты плавления и испарения также свидетельствует о близости их свойств.

Вязкость жидкостей уменьшается с ростом температуры.

Литейные свойства сплавов:

1. Жидкотекучесть- способность течь в расплавленном состоянии по каналам формы. Наибольшая жидкотекучесть у серого чугуна, наименьшая- у магниевых сплавов.

2. Усадка- уменьшение объема при затвердевании.

Линейная усадка определяется по формуле

_л= (l_ф- l_от)100/l_ф при 20С.

Объемная усадка

_об= (V_ф- V_от)100/V_ф  3_л .

Для чугунов Сч 12- Сч 28 _л= 0,7- 1,0%; Сч 32- Сч 44 _л= 1- 1,3%;

для сталей _л 2%, но у некоторых может достигать 3%.

При охлаждении отливки происходит механическое и термическое торможение. 1-е возникает из-за трения между отливкой и формой; 2-е- из-за различных скоростей охлаждения частей отливки.

3. Усадочные раковины и усадочная пористость.

Усадочные раковины являются результатом объемной усадки.

Усадочная пористость возникает из-за сращивания образующихся кристаллов, приводящем к образованию пустот.

4. Ликвации- это неоднородность химического состава в различных частях отливки. Она появляется из-за различной растворимости отдельных компонентов сплава в его твердой и жидкой фазах.

Жидкие металлы и сплавы активно поглощают разные газы. С увеличением температуры их растворимость повышается. В случае избыточного содержания газы выделяются в виде пузырьков, всплывающих на поверхность или остающихся в отливке. Если такие пузырьки остались в отливке после затвердения, то ее механические свойства и герметичность ухудшатся.

Для уменьшения газосодержания плавку ведут под слоем флюса, а перед заливкой в форму расплавленный металл вакууммируют.

Некоторые особенности гидравлики расплавов.

Движение расплава подчиняется дифференциальному уравнению Навье - Стокса [8], которое в случае несжимаемой среды записывается в форме

dw/dt= F ^-1grad p +( ²w/ x²+  ²w/y²+  ²w/z²), (4-1)

где w, v, р - скорость движения; кинематическая вязкость; давление в среде; F вектор внешних массовых сил.

При отсутствии внешних массовых сил в случае равновесия уравнение приводится к виду grad p= 0, т.е. давление во всех направлениях одинаково. При учете сил тяжести p= p_o+ gh, где h - глубина погружения относительно начальной точки.

Одним из вариантов решения уравнения (4-1) является интеграл Бернулли

w²/2+ p/+ gh= const. (4-2)

Из уравнения (4-2) следует, что скорость истечения расплава может быть определена с помощью выражения¹⁵

w= (2gp/)^1/2. (4-3)

где  - коэффициент потерь напора.

Режим движения потока расплава характеризуется критерием Рейнольдса

Re= w_cpl_o/v, (4-4)

где w_cp - средняя по сечению скорость движения потока; l_o - характерный размер полости; v - кинематическая вязкость.

Если Re< Re_кр, то режим течения ламинарный, при Re> Re_кр - турбулентный. По данным Голдина Н.М. для алюминиевых (например, Al9 при Т= 760С , v= 6*10^-7м²/с) и магниевых сплавов Re_кр= 10875- 12075 в стояке, Re_кр= 7000- 8450 в литниках.

При ламинарном течении скорости движения струй потока имеют по радиусу сечения параболический характер с нулевой скоростью у стенки, а потери напора пропорциональны 1-й степени скорости течения.

При турбулентном течении по большей части сечения скорости практически равны, а потери напора связаны со средней скоростью соотношением р= v ^, где > 1.

Мощность струи расплава

N_c= Q_cw²_c /2= f_cw³_c/2= 0,5 f_c ³(2gh_c)^3/2, (4-5)

где Q_c - геометрический расход;  - плотность; h_c - высота напора.

Различают течение с заполненным и незаполненным сечением стояка. В 1-м случае расплав окисляется незначительно и шлак не задерживается.

Обычно стремятся повысить гидравлическое сопротивление каналов литников, чтобы струя металла медленно втекала в форму. При этом меньше разрушений формы и металл оказывается в более спокойном состоянии.