Тепловые процессы формирования отливок

глава III . Тепловые процессы формирования отливок

Тепловые процессы являются главными, определяющими процессами во всем технологическом процессе литья. Они определяют, прежде всего, затвердевание и охлаждение отливок, длительность этих стадий формирования отливок. Но тепловые процессы, кроме того, предопределяют структуру отливок, протекание усадочных процессов, заполняемость форм.

3.1. Экспериментальные методы изучения

затвердевания и охлаждения отливок

Метод выливания жидкого остатка металла является простым и наглядным способом исследования затвердевания отливок. Сущность способа состоит в том, что несколько одинаковых форм одновременно заливаются сплавом при одинаковой температуре заливки. Затем через регулярные промежутки времени осуществляется опрокидывание форм и выливание из них жидкого сплава (рис. 39). На рис. 39 схематично изображены четыре отливки после выливания жидкого остатка через 5, 10, 15 и 20 секунд. Соответственно толщина затвердевшей корки составила x₁<x₂<x₃<x₄. На основе полученных экспериментальных результатов строят графики зависимости: x = f (t), как это представлено на рис. 40. Полученные экспериментальные данные успешно могут быть использованы для определения длительности затвердевания отливок из данного литейного сплава и материала формы при толщине стенки отливки, составляющей не более 2x₄.

Рис. 39. Схема затвердевания отливок по методу выливания жидкого остатка:

а) через 5 с; б) через 10 с; в) через 15 с; г) через 20 с

Другой экспериментальный метод – введение нерастворимого легкоплавкого и более тяжелого металла в затвердевающую отливку позволяет на одной отливке получить аналогичные результаты для построения экспериментального графика x = f (t). Так небольшие порции свинца вводят через регулярные временные отрезки в затвердевающий стальной слиток. Свинец, расплавляясь в стали, опускается вниз, так как его плотность выше, чем плотность жидкой стали (в соответствии с законом Архимеда), и растекается по поверхности затвердевшего слоя. Соответственно временным периодам ввода свинца в слитке образуются свинцовые прослойки, расстояние между которыми отвечает толщине, затвердевшего слоя стали. После разрезки слитка и измерения межсвинцовых прослоек строят зависимости, аналогичные, приведенным на рис. 40.

Использование вместо свинца тяжелых радиоактивных изотопов позволяет получить аналогичную картину кинетики затвердевания без разреза отливки (слитка).

В литературе описан также метод "щупа" – огнеупорного стержня, фиксирующего положение затвердевшей поверхности через фиксированные временные промежутки, как экспериментальный метод изучения кинетики затвердевания.

Метод термического анализа – непрерывного измерения и регистрации температуры затвердевающей и охлаждающейся отливки является наиболее информативным и точным экспериментальным методом. Этот метод дает возможность оценивать длительность затвердевания отдельных частей и узлов отливок, что является важным фактором при разработке технологии (установка прибылей, холодильников и т.п.).

Кроме того, метод термического анализа дает возможность определить температуру затвердевания (температуры ликвидуса и солидуса) заливаемого сплава.

На рис. 41 изображена схема устройства термического анализа. На данной схеме термопара 2 установлена в центре полости литейной формы 1 для простой цилиндрической отливки. Барабан регистрирующего потенциометра 3 перемещает рулон бумаги с постоянной скоростью, что позволяет фиксировать время. На основании зафиксированной на рулоне бумаги кривой строится график в координатах температура – время. Примерный график температурной кривой для чистого металла приведен на рис. 42 (для алюминия).

Рис. 41. Схема устройства термического анализа:

1 – литейная форма; 2 – термопара; 3 – регистрирующий потенциометр

Выделены три временные области на графике: I – снятие теплоты перегрева, для которой скорость охлаждения ; в этой области происходит охлаждение жидкого металла с температуры заливки до температуры затвердевания (660°С); II – собственно затвердевание, для которой скорость охлаждения ; температура остается постоянной несмотря на теплоотвод от отливки, что обусловлено выделением скрытой теплоты затвердевания (для алюминия L = 93 ккал/кг = 93´4,2 кДж/кг); III – охлаждение твердой отливки, характеризующейся величиной .

На приведенной кривой длительность выдержки отливки в форме от заливки до технологически обоснованной температуры выбивки t_выб (на данной кривой для алюминия принята равной 300°С) определится из пересечения горизонтальной прямой – 300°С с кривой охлаждения.