Затвердевание и охлаждение отливок. Условия кристаллизации сплавов при затвердевании отливок. Формирование поверхности отливок

ГЛАВА 2. ЗАТВЕРДЕВАНИЕ И ОХЛАЖДЕНИЕ ОТЛИВОК

Жидкий металл, залитый в полость литейной формы, принимает ее конфигурацию и продолжает охлаждаться. После достижения температуры ликвидуса начинается переход сплава в твердое состояние. Скорость затвердевания определяется скоростью теплоотвода и характеризует нарастание твердой фазы со временем, Затвердевание отливок происходит в результате кристаллизации сплавов, т. е. зарождения и роста кристаллов. В этот период формируется первичная структура сплава, проявляется его склонность к образованию химической неоднородности, развивается усадка, формируются поверхностные слои отливки. После полного охлаждения отливка должна иметь заданную плотность и однородность, минимальные внутренние напряжения, гладкую и чистую поверхность. Эти требования можно обеспечить только при правильном использовании законов, обусловливающих процесс кристаллизации сплава и предопределяющих меры, способные предупредить образование в отливке различных дефектов.

§ 1. ЗАТВЕРДЕВАНИЕ ОТЛИВОК

При затвердевании сплавов теплота передается литейной форме через ряд тепловых сопротивлений, которыми являются расплав, слой затвердевшего металла, форма, а также поверхность раздела металл—форма. Теплопередача осуществляется в условиях наличия температурных перепадов внутри каждой однородной среды (жидкого и твердого металла, формы) и температурных напоров на границе соприкосновения двух сред (металл—форма, форма—воздух).

Из теплофизики известно, что интенсивность процесса теплообмена определяется критерием Био

Вi = α/(λ/l),

где α — коэффициент теплоотдачи от поверхности тела в окружающую среду; λ—коэффициент теплопроводности; l — толщина тела; λ/l— термическая проводимость данного тела.

В теплообмене обязательно участвуют две среды: отливка охлаждается (Вi_o), а форма нагревается (Вi_ф).

Литейные формы различают прежде всего по теплофизическим свойствам. Процессы затвердевания в них отливок подобны, но характеризуются различными значениями критерия Био (Вi_o и Вi_ф, которые могут меняться от 0 до ∞. Наиболее резко отличаются в этом смысле объемные песчаные формы и тонкостенные металлические для изготовления фасонных отливок. Проанализируем затвердевание отливок в этих формах.

В объемной песчаной форме отливка охлаждается с малой интенсивностью, так как термическая проводимость (λ_о/ l_о) велика по сравнению с коэффициентом теплоотдачи α. Сама же форма нагревается с большой интенсивностью, так как ее термическая проводимость мала по сравнению с коэффициентом теплоотдачи из-за низкой теплопроводности формовочной смеси (λ_ф) и большой толщины (l_ф). Следовательно, теплофизические характеристики песчаной  формы  Вi_o << 1;  Вi_ф >> 1.

Объемная песчаная форма может считаться полубесконечной, так как ее внешняя поверхность в период затвердевания отливки не нагревается. Если пренебречь температурными перепадами в слоях жидкого и твердого металла и представить, что внутренняя поверхность формы сразу же приобретает температуру металла, залитого без перегрева, то распределение температур в средах, участвующих в теплообмене, будет таким, какое показано на рис. 4.

Сформулированные условия соответствуют задаче о распространении теплоты в твердом теле при неустановившемся режиме, описываемой частным дифференциальным уравнением

,                                                                       (1)

где t— температура; τ — время; α_ф — коэффициент температуропроводности материала формы, α_ф = λ_ф/(с_фρ_ф), здесь с_ф и ρ_ф — соответственно теплоемкость и плотность материала формы; х — расстояние от поверхности раздела металл—форма (положительное значение — в металл; отрицательное — в форму). Удельный тепловой поток в форму через поверхность раздела описывается законом Фурье

,                                                             (2)

где q— тепловой поток; F_o— площадь поверхности отливки.

Рис. 4. Распределение температуры по сечениям отливки и песчаной формы: 1 — форма; 2 — слой твердого металла; 3 — слой жидкого металла.

Совместное решение уравнений (1) и (2) дает выражение

                                        (3)

где t_o — температура поверхности отливки; t_п— температура внешней поверхности формы.

Так как принято, что t_ф = t_o, то температура внутренней поверхности формы является лишь функцией времени τ. Следовательно, количество теплоты, поступающее в форму, зависит только от теплоты, выделяющейся при кристаллизации. Таким образом,

,                                              (4)

где ρ_o — плотность материала отливки; L— удельная теплота кристаллизации. Знак минус означает, что теплота поглощается формой.

Приравняем уравнения (3) и (4) и проинтегрируем. Считая, что х = 0 при τ = 0, получим

                                 (5)

Уравнение (5) дает представление о совместном влиянии тепло-физических свойств металла и формы на затвердевание отливки. Величина b_ф= ()^1/2 есть мера скорости, с которой материал формы может поглощать теплоту. Этот параметр называют коэффициентом аккумуляции теплоты. Обозначим ν_кр = t_o– t_п, отношение 2/= 1,13. Таким образом, толщина слоя затвердевающей отливки при ее охлаждении в песчаной форме будет изменяться по закону квадратного корня: