книги / Теория литейных процессов

Металлическая форма. При охлаждении отливки в тонкостенной металлической форме перегрев металла относительно температуры кристаллизации практически не влияет на тепловой режим системы. Это объясняется тем, что в условиях тонкостенной формы почти вся теплота, отведенная от поверхности отливки, переходит в окружающую среду (охлаждающую жидкость). Иными словами, величина теплового потока на поверхности отливки в данный момент не зависит от того, какое количество тепла было отведено за предшествующий период, а целиком определяется текущими значениями разности температур Лп - tc и коэффициента теплоотдачи а\. Именно поэтому любой большой перегрев не должен сказаться на скорости затвердевания и дальнейшего охлаждения металла в тонкостенной форме.

В случае массивной металлической формы количество теплоты, потерянной отливкой, остается в основном в форме, и только небольшая часть теряется в окружающую среду. В этих условиях аккумулирующая способность формы частично расходуется на отвод теплоты перегрева, вследствие чего с увеличением перегрева скорость процесса затвердевания и дальнейшего охлаждения отливки несколько уменьшается. Однако при обычных перегревах металла это уменьшение оказывается очень значительным.

Неметаллическая форма. В случае охлаждения отливки в неметаллической форме картина заметно изменяется. Неметаллическая форма прогревается с весьма большой интенсивностью (Вь » 1). Это приводит к тому, что величина теплового потока, поступающего в форму, с течением времени быстро уменьшается (количество теплоты пропорционально корню квадратному из времени). В результате при незначительных перегревах процесс затвердевания отливки происходит в условиях большой скорости поглощения тепла формой. При больших перегревах, наоборот, процесс затвердевания происходит медленно, так как часть аккумулирующей способности формы была уже израсходована раньше при отводе теплоты перегрева.

Начальная температура формы. Тонкостенный кокиль. В общем случае начальная температура формы оказывает влияние на процесс формирования отливки. Об этом можно судить по формулам, которые приведены в 10.6.

Если отливка охлаждается в тонкостенной металлической форме, то начальная температура /2»ач практически не влияет на процесс. Это объясняется пренебрежимо малой теплоаккумулирующей способностью формы по сравнению с теплоаккумулирующей способностью отливки. В результате после заливки металла при любой величине Ь»тч температура формы быстро устанавливается на уровне, который обусловлен величинами термических сопротивлений на внутренней и наружной поверхностях формы и температурами поверхности отливки и окружающей среды. Поэтому в случае тонкостенной металлической формы решающее влияние на процесс оказывает не начальная температура формы, а температура окружающей среды tc, поскольку эта среда воспринимает основное количество теплоты, теряемой отливкой. Практически тонкостенные формы применяются для

интенсификации процесса формирования отливки, а в качестве охлаждающей жидкости используется вода. Изменение температуры ограничено какиминибудь 50 °С. Это может дать всего несколько процентов разницы в скорости затвердевания отливки.

Большего эффекта можно добиться путем увеличения скорости движения воды сов рубашке кокиля. Уменьшать заметно величину а3 нельзя, это вызовет разогрев формы выше 100 °С, что приведет к кипению воды в рубашке кокиля.

В целом за счет изменения параметров водяного охлаждения tc и со скорость затвердевания можно изменить всего на несколько десятков процентов.

Массивный кокиль. По мере увеличения относительной толщины формы возрастает роль ее теплоаккумулирующей способности и уменьшается роль внешнего теплообмена (массивная форма). В связи с этим большое значение приобретает температура t2Hач по сравнению с t0кр. При затвердевании отливки большее количество теплоты остается в кокиле и меньше передается в окружающую среду.

Методом повышения начальной температуры кокиля можно снизить скорость затвердевания металла (рис. 10.59). На практике высокие начальные температуры кокиля не употребляются вследствие резкого снижения стойкости металлической формы. В реальных условиях литья за счет начальной температуры кокиля скорость затвердевания и дальнейшего охлаждения отливки можно изменить на несколько десятков процентов (рис 10.60).

Рис. 10.59. В л ияние начальной тем пературы ч угунн ого

кокиля на время гз, т2 и разность гз - т2

Рис. 10.60. Зависимость времени затвердевания плоской стальной отливки от начальной температуры формы

Неметаллическая форма. Повышение температуры неметаллической формы так же, как и массивного кокиля, приводит к быстрому уменьшению скорости затвердевания и дальнейшему охлаждению отливки в десятки раз.

На практике иногда пользуются неметаллическими формами, нагретыми до очень высоких температур (порядка 700-800 °С). При такой температуре металл хорошо заполняет форму и воспроизводит ее конфигурацию, что важно при точном литье. Кроме того, медленное затвердевание сокращает образование крупных кристаллов и способствует фильтрации жидкой фазы через поры крупных размеров, что приводит к уменьшению брака по усадочным раковинам (для отливок турбин и магнитных материалов).

Меры теплового воздействия. Для воздействия на процесс формирования различных частей отливки часто применяют специальные меры, которые приводят к местному захолаживанию металла. К таким мерам относится использование внутренних и наружных холодильников. Кроме того, иногда применяют утепление или даже разогрев отдельных частей формирующейся отливки. Ниже рассматриваются все эти способы теплового воздействия на отливку.

Наружные холодильники. Если отливка обладает не равномерным по длине сечением, то для создания процесса неправильного или одновременного затвердевания приходится применять специальные меры для того, чтобы более массивные участки отливки охлаждались с такой же высокой скоростью, как у менее массивных участков. С этой целью обычно применяют металлические холодильники, которые монтируются в песчано-глинистую форму. Поверхность холодильника, соприкасающаяся с отливкой, часто покрывается слоем теплоизоляционной краски.

Процесс затвердевания отливки в месте постановки холодильника можно приближенно рассчитать по формулам, выведенным в 10.6. При определении закона затвердевания следует пользоваться принципом стабильности теплового потока.

4.Как подсчитывается количество теплоты, передаваемой через неограниченную плоскую стенку, обладающую толщиной X и коэффициентом теплопроводности Я и

разделяющую среды У и 2 с разными температурами /jc и ьс, и коэффициентами теплоотдачи а\ и сь (рис. 10.1)?

5.Как определяется полное термическое сопротивление?

6.Что такое температурный напор и температурный перепад в отливках?

7.Как определяется величина теплового потока в случае теплопередачи через плоскую, цилиндрическую и шаровую стенки?

8.Как определяется распределение температуры в сечении отливки?

9. Дайте определение «направляющей точки», «критерия Био». Что означает: Bi « 1,

\, B i » 1?

10.Дайте классификацию условий литья.

11.Коротко опишите пять различных стадий охлаждения отливки.

12.Сформулируйте закон затвердевания отливки: (закон продвижения фронта затвердевания по времени, линейная скорость затвердевания металла, температурное

поле отливки и количество потерянной теплоты)? Отливка - плоская: Bi « 1, В\ * 1 и

B i » 1.

13.Обоснуйте выбор показателя п.

14.Что такое приведенный размер отливки?

15.В чем заключается суть расчета процесса затвердевания отливки по методу эквивалентных отливок?

16.Что такое переходная зона?

17.Что такое удельная теплота кристаллизации, удельная теплоемкость, коэффициент теплопроводности?

18.Что характеризует понятие спектральной теплоты кристаллизации внутри интервала кристаллизации? Как ее можно определить?

19.Что такое эффективная спекгральная теплота кристаллизации и эффективная удельная теплота кристаллизации?

20.Что характеризует понятие «удельная теплоемкость» и «эффективная удельная теплоемкость»? Экспериментальное определение этих физических величин.

21.Назовите основные принципы (условия) выбора расчетных значений удельной теплоты кристаллизации р\ и температуры кристаллизации /кр при использовании

метода эквивалентной отливки.

22.Установите закон затвердевания, температурное поле, количество переданной теплоты, ширину переходной зоны для эквивалентной отливки, кристаллизующейся при постоянной температуре.

23.Объясните теплофизическую сущность последовательного и объемного затвердевания металла.

24.С помощью инженерных методов расчета затвердевания отливок определите расчетные параметры /с и а\ для частных условий литья и установите закон

затвердевания отливки тонкостенного кокиля, массивного кокиля, двухслойной формы.

25.Какие способы воздействия на процесс формирования отливки Вы знаете?

26.Как влияет материал отливки на процесс затвердевания отливки?

27.Как влияет материал формы на процесс затвердевания отливки?

28.Как влияют геометрические характеристики отливки и формы на процесс затвердевания металла?

29.Как влияет скорость охлаждения формы на процесс формирования отливки?

30.Как влияет значение коэффициента Bi на скорость затвердевания отливки?

1.Вейник А. И. Приближенный расчет процессов теплопроводности / А. И. Вейник. -

М.; Л. : Госэнергоиздат, 1959.

2.Вейник А. И. Теплообмен между слитком и изложницей / А. И. Вейник. - М. Металлургиздат, 1959.

3.Вейник А. И. Теория затвердевания отливки / А. И. Вейник. - М. : Машгиз, 1960.

4.Вейник А. И. Техническая термодинамика и основы теплопередачи / А. И. Вейник. -

М.: Металлургиздат, 1956

5.Новиков IL Г. Температурное поле плоской стенки при изменении агрегатного состояния / П. Г. Новиков // Тепло- и массообмен в капиллярно-пористых телах

тр. каф. физики МТИПЛ. - М. ; Л. : Госэнергоиздат, 1957. - Вып. 8.

6. Пржибыл Й. Затвердевание и питание отливок пер. с чеш. / Й. Пржибыл. - М. Машгиз, 1957.

7.Скворцов А. А. К решению задачи о затвердевании металлов в интервале температур / А. А. Скворцов // Научные доклады высшей школы. - 1958 - № 2. - Вып. 11 Металлургия.

11.2.1. Рассеянная пористость

Рассеянная пористость образуется во всем объеме. Каждая пора возникает в результате сокращения объема при затвердевании микроскопического объема жидкого металла, обособленного от зоны локальных перемещений вследствие неравномерного роста дендритов. Чем дисперснее структура дендритов, тем меньше радиус рассеянной пористости.

В случае полного отсутствия газовыделения при кристаллизации усадочная пористость формируется в условиях вакуума. Если при кристаллизации выделяются газы, то они могут вытеснять жидкий металл из района поры. Поэтому реальная пористость всегда имеет смешанный газоусадочный характер (рис. 11.1).

Для повышения плотности (уменьшение пористости) и улучшения свойств сплавов, кристаллизующихся в широком интервале температур, применяется обработка давлением в автоклаве (5-10 атм под газом). Кроме влияния собственного давления на пропитку отливки, повышение давления способствует растворению газов в металле, тем самым тормозит развитие пористости.

11.2.2. Осевая пористость

Наиболее широкое развитие в отливках имеет осевая пористость, образующаяся в плоских и призматических элементах. При затвердевании происходит опускание зеркала жидкого металла вследствие усадки. Это вызвано тем, что поверхность жидкого металла сокращается гораздо быстрее, чем периметр границы затвердевания, на которой сосредоточивается усадка.

В начале затвердевания жидкий металл движется внутри твердой корки беспрепятственно. Однако по мере сокращения расстояния между растущими навстречу друг другу фронтами кристаллизации начинает возрастать влияние трения потока о стенки канала. Поток питающего жидкого металла, имеющего температуру кристаллизации (гкр или tnttK), может нести с собой частицы кристаллов, и вязкость расплава возрастает. При достаточном сужении канала режим течения становится ламинарным, а затем структурным.

На некотором расстоянии от верха отливки скорость усадочного перемещения жидкого металла Vy должна сравняться с допустимой из гидравлических условий скоростью движения Vv (рис. 11.2 и 11.3). Если бы затвердевание происходило очень медленно, то начиная с момента

выравнивания скоростей процесс питания определялся бы гидравлическими условиями, а не усадкой. Однако затвердевание происходит независимо от условий потока питающего металла. Это означает, что начиная с момента выравнивания скоростей нарушается условие неразрывности потока и начинается образование осевой усадочной пористости.

Рассмотрим это равенство применительно к плоской отливке высотой Я и толщиной 2R (рис. 11.3). Для простоты пренебрежем затвердеванием отливки с торцов.

Предположим, что к некоторому моменту времени жидкая часть отливки достигла размера 2г. При уменьшении толщины жидкой части на величину dr

Пусть на единицу сечения жидкой части вдоль оси пластинки действует сила Р. На все сечения шириной, равной единице, и толщиной 2а действует