книги из ГПНТБ / Разумов, В. Н. Технология литейного производства учеб. пособие

Ются, когда надо рассчитать конфигурацию усадочной раковины в отливке.

Весьма интересный метод расчета прибылей пред­ ложен Н. Г. Интяковым. Его расчет основан на кинети­ ческом анализе питания отливки расплавом из прибы­ ли. Для этого рассчитываются и строятся кривые в ко­

—возрастания массы затвердевшего в полости фор­ мы и полости прибыли металла (кривые 2 и 2а рис. 44);

—расхода жидкого металла на пополнение усадоч­ ной раковины отливки в период заполнения полости фор­ мы расплавом и в период питания отливки расплавом из прибыли (кривые 3 и За рис. 44).

Расход расплава на пополнение усадочной ракови­ ны в отливке, который автором назван «дефицитом пи­ тания», определяется на основании простейшего урав­ нения

талла.

Анализируя полученные кинетические кривые, мож­ но установить ряд интересных закономерностей. Так, на­ пример, при переходе на литье в кокиль с прибылью, вы­ полненной в песчаном стержне, затвердевание металла в отливке значительно ускорится, а в прибыли не изме­ нится. В итоге к концу затвердевания отливки в прибы­ ли сохранится большее количество жидкого расплава и, следовательно, можно будет брать прибыль меньших размеров. Такой же эффект можно обеспечить, применяя обогреваемые прибыли, или при очень медленной залив­ ке, когда значительная часть усадочной раковины от­ ливки будет заполнена расплавом еще до вступления

в действие прибыли.

Прибыль по методу Н. Г. Интякова рассчитывается в следующем порядке:

90

—строятся расчетные кривые расхода жидкого ме­ талла на пополнение усадочной раковины в отливке;

—находится масса той прибыли, в которой к концу затвердевания отливки остаток жидкого расплава будет несколько больше расхода на питание отливки;

—по найденной массе прибыли определяются ее размеры в соответствии с правилами конструирования прибылей.

Расчет размеров прибылей с экзотермическими вставками начинают с определения размеров необогреваемой прибыли, а затем с помощью уравнения баланса тепла находят объем обогреваемой прибыли

Для прибылей, обогреваемых электрической дугой, объем принимают на 5— 10% больше, чем требуется для расхода на питание отливки.

Мы уже отмечали, что для улучшения работы при­ былей и создания направленного затвердевания целесо­ образно ускорить охлаждение залитого в форму распла­ ва во всем объеме и в отдельных участках отливки. Та­ кое ускорение охлаждения расплава можно обеспечить следующими методами:

—изготовляя стенки формы из формовочной смеси

сповышенной теплопроводностью и увеличенной тепло­

аккумулирующей способностью или переходя на литье

вметаллические формы;

—устанавливая в стенках форм в заданных местах внешние холодильники из графита, чугуна, меди;

—устанавливая в заданных местах внутри полости формы внутренние холодильники из того сплава, из ко­ торого делается отливка;

—применяя метод заливки с вводом в расплав мик­

91

рохолодильников, производя так называемую суспензи­ онную заливку.

Ю. А. Нехендзи и Ф. Д . Оболенцев провели специ­ альные опыты по определению скорости затвердевания стальной отливки в форме, выполненной из разных мате­

Следует заметить, что в практике редко прибегают к оформлению различных участков литейных форм раз­ ными формовочными смесями. Значительно чаще для выравнивания скорости затвердевания массивных и тон­ ких частей отливки прибегают к применению внешних холодильников.

Внешние холодильники, изготовленные из чугуна, меди, графитовых блоков, закладывают в стенку литей­ ной формы так, чтобы рабочая сторона холодильника оформляла заданный участок отливки. Конструируют внешние холодильники с учетом следующих положений.

Если холодильник располагается на нижней поверх­ ности литейной формы и хорошо удерживается за счет своей массы, то его выполняют в виде сплошной или оребренной плитки, обеспечивая отсутствие коробления холодильника при нагреве от заливаемого в форму ме­ талла.

Если холодильник устанавливается в вертикальной, либо в верхней горизонтальной стенке, либо оформляет угол формы, его надо снабжать устройством для закреп­ ления. Обычно в этом случае холодильники прикрепля­ ют к ребрам или стенкам опок или связывают отдельные плитки холодильника между собой для получения хо­ рошо удерживающегося замкнутого контура. Для угло­ вых холодильников характерна фигурная поверхность

92

с наличием ребер, удерживающих холодильник в толще формовочной смеси.

Линия стыка любого внешнего холодильника со стенкой песчаной формы должна проходить перпен­ дикулярно к стенке отливки, чтобы ни на холодильнике, ни в песчаной стенке формы не иметь легко разрушаю­ щихся тонких участков.

Холодильники больших размеров выполняют на­ борными. из отдельных плиток. При этом плитки уста­ навливают друг от друга на расстоянии 5—30 мм, а если их надо ставить вплотную друг к другу, то кромки пли­ ток скашивают. В последнем случае на отливке в месте стыка плиток холодильника получается призматический прилив, который приходится удалять при обрубке отлив­ ки, но зато этот прием устраняет образование горячих трещин на отливке в зоне стыка плиток холодильника.

Примерные конструктивные варианты внешних хо­ лодильников приведены на рис. 45.

Внешние холодильники в случае применения их для выравнивания скорости затвердевания рассчитываются с учетом требования

^3 ОС Т 3 му

т. е. продолжительность затвердевания основной более

93

тонкой стенки отливки т30с должна быть больше или равной продолжительности затвердевания массивного узла отливки т3 му-

Продолжительность затвердевания основной стенки отливки в песчаной форме может быть рассчитана уже известными нам способами. Для расчета продолжитель­ ности затвердевания массивного узла отливки или сразу

Рис. 46. Опытные отРис. 47. Схемы к расчету холодильников ливки В. П . Десницпо А. А. Гетьману

кого

для расчета размеров холодильника предлагаются сле­ дующие основные методы.

Используя простейшее уравнение %— k У т, В. П . Десницкий предложил соотношение

участка отливки;

öoc— толщина основной стенки отливки;

&хол; £ос — отношение коэффициентов затвердевания ме­ талла в зоне холодильника &Хол и в зоне пес­ чаной формы ko с.

Для расчетов по методу В. П. Десницкого необходи­ мо иметь опытные данные о величинах £хол и k0c• Эти данные он получил при исследовании затвердевания стальных отливок с утолщенными фланцами (см. рис. 46). Они таковы:

Продолжая исследования, А. А. Гетьман нашел, что

94

при одностороннем захолаживании массивного узла от­ ливки соотношение &хол : k0 с, не превышает 2,8 и при за­ холаживании с двух сторон ^хол : ^ ос^4,6. Из этого сле­ дует, что наружные холодильники могут оказать свое воздействие лишь в ограниченных пределах. В самом деле, если принять обозначения в соответствии со схе­ мой рис. 47, можно записать

При захолаживании массивного узла холодильни­ ком с одной стороны получим

(2,8 — 1) = 0,98ОС.

При двухстороннем захолаживании толщина мас­ сивного узла отливки не должна превышать

Таким образом, выравнивание скорости затвердева­ ния в разных частях отливки за счет внешних холодиль­ ников возможно только при разнице в толщинах основ­ ной стенки и массивного узла примерно в 2—3 раза.

Впоследнем случае холодильники надо устанавливать

сдвух сторон.

Исследуя закономерность изменения величины кхол в зависимости от толщины холодильника, А. А. Гетьман экспериментальным путем для чугунных отливок полу­ чил следующие эмпирические уравнения:

— прямые холодильники

л72,52б0 с

угловые холодильники

95

В последнем уравнении величина г соответствует радиу­ су закругления стенки отливки в зоне установки углово­ го холодильника.

Другой подход к решению задачи определения раз­ меров внешних холодильников предложил В. М. Бугачев. Он принял, что теплоотдачи от холодильника в стен­ ку песчаной формы нет, и наибольший нагрев самого

холодильника не должен превышать ^Хол кон=^ — 'зал-

При таких условиях баланс тепла при теплообмене от­

ГДе 9 = РІ ['і + С!('зал — 'кр)]-

Проводя соответствующие эксперименты, В. М. Бугачев нашел, что для хорошо окрашенного внешного хо­ лодильника а=0,544 и для тонко окрашенного холо­ дильника а = 1,382 кВт/м2-град. Имея эти данные и по­ лагая Тзатв— t 3aTB ос, можно с помощью последнего урав­ нения найти объем внешнего холодильника из условия, что массивный узел будет затвердевать одновременно с основной стенкой отливки.

96

Продолжая исследования в том же направлении, А. А. Неуструев пришел к выводу, что степень нагрева внешнего холодильника надо определять на основании

где kF = А2хол: Ахол и ka = b2:Ьхол.

Если не принимать во внимание теплоотвод от холо­ дильника в песчаную форму, как это делает В. М. Бугачев, то решение принимает более простой вид

#хол = (1 — е“ в,'^ °хо л ).

Температуру металла отливки в той части, которая охлаждается внешним холодильником, можно найти, ре­ шив следующий баланс тепла.

“ (G — °хол ) '"хол dx = — с 'і P i Ѵ \ db .

Подставив в это уравнение значение б1хол и сделав расчеты, в окончательном виде получим:

— время снятия перегрева расплава в части отлив­ ки охлаждаемой внешним холодильником

Очевидно решение А. А. Неуструева полнее решения В. М. Бугачева, точнее определяет температуру нагрева холодильника. Последнее особо важно для учета влия­ ния внешнего холодильника на процессы вторичной кристаллизации, в частности, на процесс перлитного превращения в железо-углеродистых сплавах.

Наконец, нельзя не упомянуть о третьем методе расчета внешних холодильников, предложенном А. А. Скворцовым. Использовав теорию подобия и про­ ведя анализ критериальных зависимостей между процес­ сами теплоотдачи от отливки в песчаную форму и в ме­ таллический холодильник, он провел натурные экспери­ менты и расчеты на гидроинтеграторе. В итоге были по­ лучены необходимые расчетные графики для стальных отливок. Эти графики показаны на рис. 48.

Пользуясь первым графиком зависимости £ от тзатв, можно найти продолжительность затвердевания распла­ ва в основной стенке отливки, охлаждаемой песчаной

формой. Следует помнить, что £ = — босПосле этого

можно найти величину критерия Фурье для массивного узла отливки при условии, что затвердевание массивно­ го узла происходит за тот же промежуток времени. На­

дильника бхол и массивного узла отливки бМу.

Опыты и расчеты А. А. Скворцова показали, что для стальных отливок и металлических внешних холодиль­ ников критерий Био следует принимать равным от 0,86 до 1,16. Последнее учтено при построении второго рас­

четного графика.

Рассмотренные выше методы расчета внешних хо­ лодильников показывают, как можно подойти к реше­ нию задачи о выравнивании продолжительности затвер­ девания тонких и массивных частей отливки. Но при из­ готовлении чугунных отливок внешние холодильники

98

часто применяют с другой целью — обеспечить задан­ ную структуру и свойства металла в отдельных частях отливки. Так, например, кулачковые валики двигателей надо отливать из перлито-ферритного чугуна с шаровид­ ным графитом, а кулачки этой же отливки получать со структурой белого чугуна. Или, например, основную

Рис. 48. Расчетные графики А. А. Скворцова для наружных холодильников стальных отливок

массу металла станин металлорежущих станков стре­ мятся получить со структурой серого перлито-ферритно­ го чугуна, а более массивные направляющие этих ста­ нин — из чисто перлитного чугуна. Подобные задачи ли­ тейщики решают выбором соответствующего химическо­ го состава чугуна и применением внешних холодильни­ ков для ускорения затвердевания или перлитного пре­ вращения в заданных местах отливки.

Как известно из курса металлургии литейного про­ изводства, существует несколько способов определения необходимого химического состава и скорости затверде­ вания или охлаждения при перлитном превращении чу­ гунных отливок для получения заданной структуры чу­ гуна. В частности, в настоящем учебном пособии в рис. 8 представлена предложенная Н. П. Дубининым номограм­ ма для определения зависимости между скоростью за­ твердевания Пзатв, содержанием в чугуне C-f-Si и полу­ чаемой структурой при заливке в кокили. Можно также