книги / Теория литейных процессов
..pdfдля алюминиевой отливки |
|
|
X „ |
2700*93 |
7 = 2,02. |
— = 2 |
-------------т---------- |
|
X , |
1500*0,26(659-20) |
|
Как видно, что в момент полного затвердевания отливки глубина прогретого слоя в сухой форме примерно равна толщине 2Х\ отливки. В сырой форме эта толщина должна быть почти в два раза меньше из-за большого значения коэффициента ее теплоемкости.
Вреальных условиях литья толщина неметаллической прослойки часто бывает больше толщины отливки. Отсюда следует, что первые три стадии охлаждения отливки в двухслойной форме протекают так, как если бы она охлаждалась в сплошной неметаллической форме.
Взависимости от конкретной толщины Хъпрослойки три стадии процесса могут рассчитываться по формулам, выведенным без учета влияния металлической опоки. Соответствующие формулы приводятся в следующем параграфе.
Будем рассматривать лишь четвертую стадию процесса, на которой в основном отражается влияние искусственного охлаждения отливки (посредством обдувки воздухом внешней поверхности опоки). При решении задачи предполагается, что все геометрические и термофизические характеристики отливки и формы известны.
Температура окружающей среды. Система, изображенная на рис. 10.47, применяется на практике для искусственного охлаждения отливки и сокращения за этот счет времени выдержки отливки в форме.
При решении задачи для четвертой стадии процесса воспользуемся приближенным методом, изложенным в предыдущем параграфе. Согласно этому методу охлаждение отливки в форме расчленяется на два процесса: первый процесс соответствует тепловому взаимодействию отливки и формы, второй - охлаждению всей системы «отливка - форма» в окружающей среде.
Вданном случае возникает дополнительная трудность, которая связана с тем, что теплоаккумулирующей способностью вещества прослойки, как это было сделано прежде, пренебречь нельзя. Эту трудность в первом грубом приближении можно преодолеть, если тепловую емкость прослойки частично придать отливке, а частично - опоке. В результате решение задачи будет походить на решение задачи для массивного кокиля. Разница получается лишь
взначениях отдельных величин, входящих в расчетные формулы. Предположим вначале, что плоская отливка охлаждается в симметричной
двухслойной форме (рис. 10.54). При этом средняя калориметрическая температура системы, найденная по формуле (10.195),
++(«+ »*>!■
1 + /и+ т + т"
где
Второй вариант решения позволяет приближенно определять температуру отливки и опоки как функцию времени для несимметричной задачи (рис. 10.53).
Если начальные температуры стержня и двухслойной формы равны между собой и не равны гокр, то получается более сложное дифференциальное уравнение, которое может быть легко решено известными методами.
10.6.4. Способы воздействия на процесс формирования отливки
Выведенные в предыдущих главах формулы связывают все главные факторы, характеризующие процесс формирования отливки. Вместе с тем без предварительного анализа непосредственно из формул еще не видно, какова степень влияния отдельных факторов на ход процесса формирования. В связи с этим в настоящем параграфе рассматривается вопрос о количественной стороне влияния параметров технологического процесса на ход формирования отливки. Такая постановка вопроса обусловлена тем, что инженеру очень важно знать заранее, какими возможностями он располагает при выборе технологического процесса с целью получения отливки с наперед заданными свойствами.
1. Влияние материала отливки
Ограничимся рассмотрением тех свойств, которые в той или иной мере связаны с тепловой стороной явления.
Интервал температур кристаллизации. Он является самым важным фактором, определяющим механизм процесса затвердевания (последовательное или объемное затвердевание), следовательно, и специфические особенности формирования структуры отливки. Кроме того, внутри интервала AtKp образуются усадочные дефекты, горячие трещины и ликвационные явления.
Влияние интервала температур кристаллизации может в значительной мере погашаться действием теплофизических факторов, которые технолог может задавать по своему усмотрению (интенсивность охлаждения, от которой зависит перепад 8\t температуры в сечении отливки и т. д.).
Теплофизические и физико-механические свойства. Теплофизические свойства материала отливки влияют на процесс формирования в самых различных направлениях. Например, возрастание коэффициента теплопроводности Х\ приводит к уменьшению перепада температуры 8\t в сечении отливки за счет уменьшения критерия Bi\. В этом же направлении действует коэффициент аккумуляции в, = и удельная теплота
кристаллизации р\. Уменьшение 8\t связано со снижением термических напряжений и усадки отливки, но приводит к развитию процесса объемного затвердевания металла.
Следует отметить, что теплофизические свойства металла, как правило, оказываются заданными. Вместе с тем путем модифицирования и легирования
в принципе можно изменить теплофизические свойства материала в нужном направлении для получения необходимых структур в отливках.
Процесс формирования структуры металла в отливках зависит от коэффициента линейного расширения и упругопластических свойств металла. От этих свойств зависит усадка отливки, определяющая величину газовой прослойки ХТЛ1, а следовательно, и интенсивность теплообмена между отливкой и формой.
Важную роль играет растворимость газов при различных температурах, так как газы, выделяющиеся из отливки, создают определенное термическое сопротивление на ее поверхности. В этом отношении особый интерес представляет водород, обладающий наибольшим коэффициентом теплопроводности.
Способность металла к окислению определяет дополнительное термическое сопротивление, которое возникает на поверхности отливки при ее охлаждении в форме.
Все эти вопросы имеют важное значение для процесса формирования отливки, однако они пока еще мало изучены.
2. Влияние материала формы
Коэффициент аккумуляции тепла. Одной из наиболее сильных мер воздействия на процесс формирования отливки является выбор материала формы, обладающего необходимым значением коэффициента аккумуляции тепла. За счет соответствующего выбора коэффициента в2 удается в десятки раз изменить скорость затвердевания отливки. Эту возможность технолог всегда должен иметь в виду.
Выше было показано, что наименьшую скорость затвердевания отливки дают неметаллические формы, обладающие малым значением коэффициента аккумуляции тепла, Дж/(м2*с1/2*К):
в2 =^Л2С2у2.
Наименьшим значением коэффициента в2 обладают пеноматериалы - пенобетон, пеностекло и т. д. Затем идут асбест, сухая песчано-глинистая смесь с добавками асбеста или опилок, сухая песчано-глинистая смесь без добавок, сырая песчано-глинистая смесь, шамот, магнезит. Можно существенно изменить величину в2 (вдвое, втрое) за счет добавки чугунных опилок в обычную песчано-глинистую смесь.
В качестве примера на рис. 10.55 приведена зависимость времени г3 полного затвердевания плоской отливки из алюминиевого сплава толщиной 30 мм от коэффициента в2 (табл. 10.6).
ъ
сек.
600
т
200
О |
50 |
100 |
15О b2 ккал/м 2час1/2 °С |
Рис. 10.55. Зависим ость времени затвердевания отливки от коэф ф ициента в2формы
Таблица 10.6
Зависимость времени г* полного затвердевания алюминиевой отливки
__________________ от коэффициента в2 формы__________________
|
в : |
12нач> |
Разм ер |
Врем я затвердевания г3, с |
||
М атериал формы |
О пы тны е |
Д ан н ы е |
||||
Д ж /(м :-с'--К ) |
°с |
отливки, мм |
||||
|
данн ы е |
расчета |
||||
|
|
|
|
|||
А сбест |
|
|
|
|
|
|
м ногослойны й |
|
|
|
|
|
|
(ли стовой ) |
13 |
28 |
3 0 x 1 4 0 x 1 6 0 |
720 |
710 |
|
П есчано-глинистая |
|
|
|
|
|
|
см есь (сы рая) |
20 |
20 |
3 0 x 1 2 0 x 1 5 0 |
300 |
3 0 0 |
|
Ш ам от, кирпич |
2 4 ,6 |
26 |
3 0 x 1 3 0 x 1 1 0 |
2 0 0 |
198 |
|
М агнезит, кирпич |
4 9 ,2 |
26 |
3 0 x 1 2 0 x 1 1 5 |
50 |
4 9 |
|
Ч угун, кокиль |
208 |
98 |
3 0 x 1 2 0 x 1 6 0 |
24 |
3 |
|
Для неметаллической формы изменение коэффициента в2 в 3,8 раза сопровождается ростом скорости затвердевания в 14,4 раза.
Анализ расчетных опытных данных показывает, что при малых значениях в2 (по сравнению с в\) время г3 затвердевания оказывается обратно пропорциональным квадрату коэффициента в2.
При больших в2 связь между г3 и в2, характерная для неметаллических форм, нарушается, поэтому расчетная формула приводит к неправильным результатам. Это объясняется тем, что при больших в2 (чугунная форма) перепадом температуры в сечении отливки пренебречь нельзя. Кроме того, в этих условиях на процесс большое влияние начинает оказывать газовая прослойка.
Таким образом, изменение коэффициента в2 неметаллической формы позволяет на практике изменить скорость затвердевания отливки более чем в 10 раз. Переход к металлической (чугунной, неокрашенной) форме приводит к дальнейшему существенному повышению скорости затвердевания.
Кокильная краска. Металлическая форма так же, как и неметаллическая, позволяет в очень широких пределах изменять скорость затвердевания металла за счет применения кокильной краски. Данные
в табл. 10.6, приведенные для чугуна, относятся к неокрашенному изнутри кокилю. Если внутреннюю поверхность кокиля покрыть слоем теплоизоляционной краски, то скорость охлаждения отливки из алюминиевого сплава существенно уменьшится (рис. 10.56). Как видно, изменение толщины слоя краски от 0 до 1,7 мм увеличивает время затвердевания отливки в 10 раз (с 24 до 240 с). При этом скорость затвердевания отливки в чугунном кокиле приближается к скорости затвердевания отливки в песчано-глинистой форме. Максимальная скорость затвердевания отливки в неметаллической форме превышает минимальную скорость затвердевания той же отливки в окрашенном кокиле в 4,8 раза. Отсюда ясно, что за счет соответствующего выбора материала формы и ее окраски можно создать почти любые необходимые условия затвердевания металла.
Рис. 10.56. Зависимость времени затвердевания отливки о т Л ^
В заключение необходимо обратить внимание на важность соблюдения на практике заданного технологического режима литья (плотность набивки, влажность формы, толщина слоя кокильной краски и т. д.). Незначительное изменение отмеченных параметров может сильно повлиять на процесс формирования отливки и привести, таким образом, к браку.
3 . В л и я н и е г е о м е т р и ч е с к и х с в о й с т в о т л и в к и и ф о р м ы
На процесс формирования отливки существенное влияние оказывают геометрические характеристики отливки и формы (размеры и конфигурация). Иногда с целью получения годного изделия приходится идти на изменение конфигурации и размеров отдельных узлов отливки. С помощью изменения размеров также удается заметно воздействовать на скорость затвердевания металла.
Конфигурация отливки. От конфигурации отливки зависят закон и скорость затвердевания, характер питания жидким металлом отдельных частей отливки, усадка и т. д. В связи с этим выбору конфигурации отливки следует уделять должное внимание.
Наличие массивных узлов в отливке, затвердевающих в последнюю очередь, вызывает появление горячих трещин. Применение специальных ложных (литейных) ребер позволяет упрочнить слабые места и, таким образом, предотвратить образование трещин. Ложные ребра по существу следует
рассматривать как изменение конфигурации с целью воздействия на процесс формирования отливки.
В тех случаях, когда конфигурация отливки задана и ее изменить нельзя, остается лишь одно средство воздействия на процесс формирования - это ориентировать рациональным образом отливку в пространстве и выбирать соответствующие места расположения литников и питателей.
Размеры отливки. Влияние размеров отливки или ее отдельных частей на процесс затвердевания металла может быть установлено с помощью теоретического расчета по формулам предыдущих параграфов, применив понятие приведенного размера.
Конфигурация формы. Геометрические свойства внутренней поверхности формы определяются конфигурацией отливки.
Свойства наружной поверхности формы также накладывают известный отпечаток на интенсивность теплообмена. Коэффициент а3 теплоотдачи на внешней поверхности формы выбирается с учетом критерия А конфигурации.
В случае неметаллической формы конфигурация наружной ее поверхности существенной роли не играет ввиду ничтожного влияния внешнего теплообмена на процесс. Для металлической формы за счет конфигурации внешней поверхности можно изменить скорость затвердевания отливки на несколько десятков процентов. Особенно заметный эффект получится в том случае, если форму снабдить охлаждающимися ребрами.
Размеры формы. Толщина Х2 стенки формы, как уже отмечалось, определяет заметное влияние на скорость затвердевания отливки. Количественная сторона этого вопроса может быть проанализирована с помощью вышеприведенных формул.
В действительности все зависит от конкретных условий литья и от самой толщины Х2 стенки формы. Увеличение толщины формы при очень малых значениях Х2 приводит к незначительному уменьшению скорости затвердевания отливки, при средних значениях Х2 практически не влияет на скорость затвердевания, при больших значениях Х2- заметное возрастание ее, и, наконец, при очень больших - размер Х2 практически перестает влиять на скорость затвердевания. Разграничить области «малых», «средних», «больших» и «очень больших» значений Х2 можно посредством расчета процесса затвердевания конкретной отливки.
4. Искусственное охлаждение формы
Искусственное охлаждение наружной поверхности металлической формы или опоки способствует увеличению скорости затвердевания дальнейшего его охлаждения. В случае металлической формы внешнее охлаждение может заметно сказаться на скорости затвердевания, а в случае неметаллической формы все зависит от расстояния Х3до опоки. При значительном расстоянии Х3
Рис. 10.58. Зависимость относительного количества теплоты , потерянной в окруж аю щ ую ср еду, от относительной толщ ины стенки ф ормы . Отливка - чугунная (обозначения те ж е)
С уменьшением толщины Х2 стенки формы роль внешнего охлаждения существенно возрастает. При малых значениях Х2 основное количество теплоты, теряемой отливкой, передается в окружающую среду. Отсюда ясно, что искусственное охлаждение отливки следует применять именно при малых Х2, когда теплоаккумулирующая способность формы пренебрежимо мала по сравнению с таковой отливки. В этих условиях увеличение интенсивности внешнего охлаждения формы (коэффициента а3) должно привести к заметному возрастанию теплоотвода от отливки, а следовательно, и скорости затвердевания металла.
Вынужденная конвекция. Интенсификация процесса затвердевания отливки достигается за счет создания вынужденного движения охлаждающей среды (воды или воздуха) на наружной поверхности формы. Это приводит к относительному увеличению интенсивности внешнего теплообмена.
Для более успешного применения искусственного охлаждения целесообразно снизить термическое сопротивление за счет уменьшения толщины Х2 стенки формы и повышения коэффициента теплопроводности Л2 ее материала (применяются медные и алюминиевые формы).
Коэффициент теплоотдачи а3 подсчитывается по формулам в 10.1, а процесс охлаждения отливки в тонкостенной форме - по формулам в 10.6.1.
В последнее время вместо медных водоохлаждаемых форм начали применять алюминиевые с оксидированной (анодное окисление) внутренней поверхностью, которые использовались для отливок чугунных деталей.
5. Температурные условия
Начальная температура отливки. Здесь рассматривается вопрос о влиянии температуры заливаемого металла на тепловой режим системы «отливка - форма».