книги / Теория литейных процессов

2Hrj — , где V - скорость движения жидкости; rj - вязкость расплава.

d a

Приравнивая эти силы, получаем

Поскольку образование пористости происходит при малых значениях радиуса канала, пренебрежем вторым членом в правой части равенства (11.20) и решим его относительно половины толщины зоны осевой пористости гп. Тогда

Это относительное значение толщины жидкой части сечения отливки в момент, когда поток питающего металла теряет сплошность и начинает формироваться осевая пористость.

На основании проведенного анализа можно сделать следующие выводы:

1.Осевая пористость пропорциональна кубическому корню произведения усадки при затвердевании а на вязкость rj.

2.Она прямо пропорциональна коэффициенту затвердевания к в степени 2/3. Следовательно, с увеличением скорости затвердевания относительное развитие осевой пористости возрастает. При переходе из песчаной формы в металлическую (при удвоении скорости охлаждения) она возрастает в 1,6 раза.

3.Развитие пористости обратно пропорционально кубическому корню из суммы атмосферного и гидравлического давления жидкого металла. Это означает, что затвердевание в вакууме будет способствовать развитию осевой пористости и, наоборот, кристаллизация под давлением будет ее подавлять.

4.При уменьшении толщины и увеличении длины стенки относительное развитие пористости будет существенно возрастать (рис. 11.4, а и б). Причем толщина имеет большее значение, чем длина.

Рис. 11.4. Влияние разм еров, тем пературы заливки

и массы п ерепущ енн ого металла на развитие п орис­

тости П

5. Развитие зон пористости вблизи места подвода литника зависит о степени его разогрева жидким металлом, особенно при подводе литника в тонкую часть отливки. Сравнивая пористость на большом расстоянии от места подвода (рис. 11.4, а и 6) с ее развитием в районе подвода (рис. 11.4, в и г), можно наблюдать, что при прочих одинаковых условиях формирования отливки во втором случае она увеличивается в 4 раза.

охлаждении жидкого металла в отливке. Процесс перемещения жидкого металла внутри затвердевающей отливки, связанный с формированием усадочных пустот и приводящий, в частности, к образованию усадочных раковин, называется питанием.

Образование усадочной раковины у отливки происходит в четыре стадии (рис. 11.5). На первой стадии (рис. 11.5, а) полость формы заполняется расплавом. При достижении температуры ликвидуса расплав начинает затвердевать сразу же, образуя корку. Получается своего рода закрытый сосуд, внутри которого заключен расплав (рис. 11.5, б). По мере дальнейшего охлаждения происходит усадка расплава ажи затвердевшей корки a™, a также имеет место уменьшение объема при изменении агрегатного состояния а3 на плоскости кристаллизации. Усадка расплава и уменьшение объема при переходе из жидкого состояния в твердое превышают усадку корки (т. е. уменьшение сечения в свету). Поэтому в определенный момент расплав отделяется под действием силы тяжести от верха затвердевающей корки и опускается (10.5, в). Над расплавом остается полость - закрытая усадочная раковина (рис. 11.5, г). В образовавшейся раковине в отливках из дегазированных сплавов создается разрежение (вакуум), вследствие чего верхняя тонкая корка может прогнуться внутрь раковины (на рис. 11.5, г). Таким образом, усадочная раковина состоит из наружной (впадины) и внутренней частей.

Рис. 11.5. Х о д образования усадочн ой раковины у отливки б ез прибы ли

Чтобы не допустить образования усадочной раковины, надо к отливке присоединить резервуар сплава - прибыль (рис. 11.5, д), из которого под действием силы тяжести расплав переместится в затвердевающую отливку. Усадочная раковина в этом случае образуется только в прибыли, после чего ее отделяют от отливки.

Изменения объема в результате усадки можно оценивать суммарно: А^ато=^М+^рак + 2Кпор, (11.23)

где Км - изменение объема плотного металла.

Слои металла, разделяющие отдельные пустоты усадочной раковины и закрывающие ее сверху, называют мостами. Часть отливки, в которой располагается усадочная раковина вместе с мостами, называют областью усадочной раковины.

При наличии моста, закрывающего усадочную раковину сверху, она называется закрытой (рис. 11.6, a-в), при отсутствии моста - открытой (рис. 11.6, г). Небольшие открытые раковины называют иногда ужиминами.

В отливках, вытянутых в осевом направлении, мосты получают слабое развитие (рис. 11.6, а); в плоских отливках, в которых формирование усадочной раковины заканчивается на стыке слоев, затвердевающих сверху и снизу, наоборот, мосты .преобладают (рис. 11.6, б). Если в процессе затвердевания отливки какая-либо ее крупная часть обособляется, в ней образуется изолированный бассейн и возникает самостоятельная вторичная усадочная раковина (рис. 11.6, в).

Для оценки склонности сплавов к развитию усадочных раковин применяются технологические пробы (рис. 11.7). Объем раковины в пробе определяют на осевом разрезе путем засыпки его песком или заливки керосином через мерную пипетку.

т

ат

Рис. 11.7. Пробы для определения развития усадочных раковин: а - цилиндрическая; б - ступенчатая; в - коническая

Объем усадочной раковины, отнесенный к объему отливки, можно определить по формуле Н. Г. Гиршовича и Ю. А. Нехендзи:

(11.24)

где Гж.ср и 7Y.cp - средние температуры металла соответственно в момент начала и в момент конца затвердевания отливки; Г0 - температура кристаллизации; /3- коэффициент, характеризующий влияние массы твердой корки на формирование раковины (его значение рекомендуется принимать равным приблизительно 1/2).

Индексы «о» и «л» при коэффициентах усадки означают, что они выражаются соответственно в объемных и линейных величинах.

Усадочная раковина начинает формироваться с момента образования сплошной твердой корки по всей поверхности отливки.

Усадка затвердевшего металла может выжимать жидкость из средней части отливки и способствовать сокращению объема раковины.

Наконец, образование в твердом и жидком состоянии новых фаз (графита в чугуне, карбидов, интерметаллидов и т. д.), изменяющих удельный объем, может в той или иной степени компенсировать усадку.

Рассмотрим решение задачи образования усадочной раковины в цилиндрической отливке (Б. Б. Гуляев).

Примем следующие допущения:

1)отливка имеет форму цилиндра высотой Н и диаметром 2R (рис. 11.3);

2)заливка чистого металла в форму производится мгновенно; усадка

происходит только при затвердевании, и коэффициент усадки равен а;

3)перемещение металла в результате усадки происходит мгновенно и беспрепятственно; образование осевой пористости не принимается во внимание;

4)охлаждение с торцовых поверхностей цилиндра ни снизу, ни сверху не происходит.

Положим, что за время т на осевой поверхности цилиндра образуется слой твердого металла толщиной дс, а радиус жидкой части отливки в этот момент становится равным г. К этому моменту уровень жидкого металла в результате усадки опускается от начальной верхней поверхности до величины А, отсчитываемой от нижнего торца цилиндра.

Выделим в жидком металле слой толщиной dr, на который должна передвинуться граница затвердевания в последующий период времени dr. При затвердевании этого слоя его объем становится в результате усадки меньше на величину adV, где dV - элемент объема. Если бы внутренняя часть отливки не была заполнена жидким металлом, это привело бы просто к уменьшению толщины твердого слоя. Однако находящаяся внутри жидкость перемещается, и ее уровень в верхней части опустится на некоторую величину dh. При этом объем усадочной раковины увеличится на величину dVp. Описанный процесс в общем виде можно представить равенством

Откуда

Полный вывод, анализ, рассмотрение влияния затвердевания снизу и привлечение к расчету прибылей были проведены А. А. Рыжиковым в 1947 г.

Если в равенстве (11.28) принять г = R, то А = Я, и при г = 0 будет А = 0. Следовательно, усадочная раковина проникает до самого дна отливки. При затвердевании с нижнего торца цилиндра усадочная раковина будет заканчиваться в точке, где встречаются фронты кристаллизации снизу и с боковой поверхности.

Сопоставление данных, рассчитанных по уравнению (11.28), с реальными усадочными раковинами показало, что оно удовлетворительно описывает их контур только для цилиндров с большим отношением высоты к диаметру. Но даже и в этом случае для получения правдоподобных результатов необходимо значение коэффициента а принимать значительно большим, чем усадка сплавов при затвердевании.

Основной причиной расхождения расчетов с действительностью является пренебрежение затвердеванием металла с верхней поверхности отливки. Металл, который затвердевает сверху, образует мосты и уже не может принять участие в компенсации усадки в отливке; мосты входят в общий объем области усадочной раковины.

Для учета мостов равенство (11.25) необходимо заменить следующим: dV,= dV y =dV^ (11.29)

где dVу - элементарный объем собственно пустот раковины; dVM- объем мостов, образующихся за это время.

Здесь объем твердой корки представлен в виде следующей функции от т.

Коэффициенты В и m принимают различные значения в зависимости от условий охлаждения отливки. Если отливка затвердевает в неметаллической форме, то показатель степени m = 1/2. Коэффициент В для приближенных расчетов может быть взят из упрощенной формулы (11.42):

(11.43)

При этом общая формула (11.40) примет вид

(11.44)

Если отливка затвердевает в массивном окрашенном кокиле, то показатель степени m в формуле (11.40) обращается в единицу. Для коэффициента В из приближенных формул (11.46) и (11.47) получаем значение

Расчетная формула (11.44) для случая затвердевания отливки в кокиле имеет вид

(11.48)

Если в процессе затвердевания отливки температура формы заметно изменяется, то вместо Ьнач надо брать среднюю температуру ь ср за процесс.