Изучение влияния теплофизических свойств металлической формы на процесс затвердевания слитков

Цель работы: овладеть методами прямого и косвенного анализа,  изучить с их помощью влияние теплофизических свойств металлической формы на процесс затвердевания слитков и экспериментально проверить теоретические зависимости.

1 ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Затвердевание слитков представляет собой сложный переход сплава из жидкого состояния в твердое, в процессе которого формируется структура (размер, форма и взаимное расположение кристаллитов),  происходит перераспределение химических элементов, протекают усадочные явления, что в конечном итоге определяет служебные свойства слитка.

Металлический расплав, залитый в металлическую форму, отдает ей тепло и постепенно охлаждается. Достигнув определенной температуры, он начинает затвердевать, так как твердое состояние сплава характеризуется меньшей свободной энергией и является термодинамически более устойчивым. Остывание слитка происходит через границу его раздела с литейной формой. Поэтому первые кристаллы появляются на поверхности, затем кристаллизация переносится на более глубокие слои. Толщина затвердевшего слоя по мере остывания сплава возрастает, пока кристаллизация не завершится в центре слитка.

Чистые металлы и сплавы, кристаллизирующиеся при постоянных температурах, образуют перемещающийся фронт с четкой границей между твердой фазой и жидким расплавом.

Сплавы, кристаллизирующиеся в интервале температур, затвердевают с образованием твердо - жидкой области, которая также по мере охлаждения перемещается от поверхности к центру слитка. Ширина твердо - жидкой области зависит от перепада температур по сечению слитка и величины интервала кристаллизации данного сплава. Интенсивность теплового взаимодействия  металлической формы и металла слитка определяет скорость перемещения фронта кристаллизации (или твердо - жидкой области) и нарастания твердой корки.

В начальной стадии затвердевания температурный градиент между слитком и формой, а также скорость охлаждения максимальны. Поэтому скорость нарастания слоя твердого металла имеет наибольшее значение. В последующие моменты вследствие прогрева литейной формы скорости охлаждения и соответственно затвердевания постепенно убывают.

В общем случае сплавы всегда кристаллизуются в некотором интервале температур. В затвердевшем слитке можно выделить три области: твердую, затвердевания и жидкую Рис. 1.

Рис. 1 - Строение затвердевающего слитка.

Области разделены границами: жидкая и затвердевания – границей ликвидус; затвердевания и твердая – границей солидус. Область затвердевания делится на две части: жидко-твердую, включающую в себя зону макроскопических перемещений жидкости, и твердо-жидкую, включающую зоны локальных и микроскопических перемещений жидкости. В зоне макроскопических перемещений жидкого металла твердые кристаллы свободно плавают в жидкости. В пределах зоны локальных перемещений кристаллы образуют связный скелет, но жидкость сравнительно свободно проходит между ними. В зоне микроскопических перемещений жидкий металл разобщается растущими кристаллами на изолированные объемы. Перемещение жидкости, возможно, только внутри этих объемов. Вторая и третья зоны разделяются границей питания.

Границы ликвидус и солидус являются физико-химическими характеристиками сплава. Граница выливаемости определяется опытным путем. Она, как правило, совпадает с границей нулевой жидкотекучести. Граница питания устанавливается по пористости вблизи оси слитка.

2 МЕТОД ИССЛЕДОВАНИЯ

Экспериментальное исследование процесса затвердевания проводится методом выливания жидкого остатка. Сущность его состоит в том, что начавшийся процесс затвердевания слитка прерывается через определенное время после заполнения формы путем быстрого выливания незатвердевшего остатка жидкого металла. После остывания образец разрезают и измеряют толщину затвердевшего слоя. При выливании жидкого остатка удаляются твердые кристаллы из зоны макроскопических перемещений, обнажая границу выливаемости. Жидкая фаза в зоне локальных перемещений и микроскопических перемещений остается между кристаллами этих зон.  Поэтому измеренная толщина затвердевшего слоя характеризует границу выливаемости, имеющую место в момент выливания, а не границу полностью затвердевшего металла.

3 ОБОРУДОВАНИЕ, ИНСТРУМЕНТ, МАТЕРИАЛЫ

Плавильная печь, ножовка для резки образца, формы, модели образцов (куб размером 100х100х100 мм); деревянный стержень для пробивания отверстия в залитой форме; штангенциркуль; стальные, чугунные и медные пластины (100х100 мм); спецодежда.

4 ПОРЯДОК ПРОВЕДЕНИЯ РАБОТЫ

1. В опоке высотой 150 мм формуется куб 100х100х100 мм так, чтобы верхняя и нижняя его стенки оставались открытыми (рис. 2, а). Одна из стенок куба образуется заформованной в смесь чугунной пластиной, другая – медной, третья – стальной, четвертая песчано-глинистым смесь.

Выбор материала вставок обусловлен из разной захолаживающей способностью, количественно выражающейся через коэффициент теплоаккумуляции в_ф (табл.1).

Таблица 1 - Значения коэффициента теплоаккумуляции

2. Приготовить три вспомогательные формы, служащих для слива жидкого остатка. На них как на поддон устанавливаются основные формы (рис.2).