ВЛИЯНИЕ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ФОРМОВОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ НА СКОРОСТЬ ЗАТВЕРДЕВАНИЯ ОТЛИВКИ

1. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ПРАКТИЧЕСКОГО ЗАНЯТИЯ

Приобрести навыки лабораторных исследований, изучить влияние теплофизических свойств формовочных материалов на скорость затвердевания отливки методом декантации (выливания) жидкого остатка.

2. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Затвердевание отливки представляет собой сложный процесс. Во время затвердевания происходит переход расплава из жидкого состояния в твердое, при этом формируется структура (размер, форма и взаимное расположение) кристаллитов, происходят сложные диффузионные, конвективные и усадочные явления. Металлический расплав, залитый в литейную форму, постепенно охлаждается. Достигнув температуры ликвидуса, он начинает кристаллизоваться. Первые кристаллы появляются на поверхности, затем кристаллизация происходит в более глубинных слоях. Толщина затвердевшего слоя постепенно растет, пока кристаллизация не завершится в центре отливки.

В случае использования чистых металлов и сплавов, кристаллизующихся при постоянных температурах, в затвердевающей отливке имеется четкая граница между твердой фазой и жидким расплавом. Затвердевание отливок из сплавов, кристаллизующихся в интервале температур, происходит с образованием двухфазной области, которая по мере охлаждения перемещается от поверхности к центру отливки. Ширина двухфазной области зависит от градиента температур по сечению отливки и величины интервала кристаллизации сплава. Интенсивность теплового взаимодействия формы и металла отливки определяет скорость перемещения фронта кристаллизации или двухфазной области и нарастания твердой корки.

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

Кинетику затвердевания обычно характеризуют изменением толщины слоя затвердевшего сплава во времени. При затвердевании плоских отливок в песчаных формах эта зависимость характеризуется законом квадратного корня

, (1)

где δ - толщина слоя затвердевшего металла, м; τ₃ - время с момента начала затвердевания, с; К - коэффициент затвердевания, м/с^1/2.

Коэффициент затвердевания зависит от теплофизических свойств сплава и литейной формы. В случае заливки сплава в литейную форму без перегрева он может быть вычислен по формуле

, (2)

где b_ф - коэффициент аккумуляции теплоты формы, Вт·с^1/2/(м2·К); t_к - температура кристаллизации, ⁰С; t_н.ф. - начальная температура формы, ⁰С; ρ - плотность жидкого металла, кг/м³; L_M - удельная теплота кристаллизации металла, Дж/кг.

В реальных условиях расплав заливают в форму с некоторым перегревом, и затвердевание отливки может происходить со скоростью, которая существенно отличается от определяемой уравнениями (1) и (2). Более точное решение задачи может быть получено с помощью ЭВМ.

На практике скорость нарастания слоя затвердевшего металла определяют методом декантации жидкого остатка, или методом выливания. Для этого изготавливают литейную форму, полость которой собрана из стержней с различными теплофизическими свойствами (см. рисунок). Форму заливают расплавом, минимально перегретым выше температуры ликвидуса. С момента окончания заливки отсчитывают заданное время выдержки, по истечении которого штырем пробивают перегородку из сырой формовочной смеси, отделяющей полость формы от резервуара под ней. Незатвердевшая часть металла стекает вниз, и нарастание стенок отливки прерывается. Слой затвердевшего металла замеряется, и по результатам нескольких экспериментов строят графическую зависимость.

Форма для определения скорости затвердевания металла методом выливания: 1 - полость для слива металла; 2 - стержень, закрывающий полости для слива металла; 3-5- стержни с различными теплофизическими свойствами

3. ПОРЯДОК ПРОВЕДЕНИЯ РАБОТЫ

1. В электрической печи приготовить расплав первичного алюминия. При температуре 700-720 ⁰С отрафинировать его хлористым марганцем или гексахлорэтаном (0,1-0,15 % по массе).

2. Изготовить литейную форму в двух одинаковых опоках высотой100 мм. В верхней опоке заформовать куб размерами 100x100x100 мм, который образует соответствующую полость. Боковые стенки полости выполнить из материалов с различными теплофизическими свойствами: металлического холодильника, сухих стержней и сырой формовочной смеси. В нижней опоке изготовить вспомогательную часть формы, в которой выполнить полость размерами 100x100x80 мм, служащую впоследствии резервуаром для слива остатка жидкого металла из верхней части формы.

3. Залить формы расплавом, перегретым на 10-15 ⁰С выше температуры кристаллизации (t_зал=670-675 ⁰С). После окончания заливки через заданный промежуток времени (10, 15, 20... 50 с) слить незатвердевший жидкий металл из верхней полости во вспомогательный резервуар. Для этого металлическим стержнем, предварительно подогретым в тигле с расплавом, пробить дно полости формы.

4. Затвердевшую отливку из верхней части формы выбить, охладить и разрезать. Затем замерить толщину стенки отливки в центре каждой грани. Сечение отливки зарисовать.

5. Экспериментальные данные, полученные при определении толщины затвердевшего слоя металла, занести в таблицу и построить соответствующие графические зависимости δ=f(τ) для различных материалов формы.

6. По экспериментальным данным с использованием формулы (1) вычислить ряд значений коэффициента затвердевания, определить среднее значение К для каждой стенки формы за период кристаллизации.

7. Вычислить коэффициенты затвердевания для различных материалов по формуле (2) и сравнить их с экспериментально полученными. При расчетах принять плотность жидкого алюминия равной 2400 кг/м³, а удельную теплоту кристаллизации равной 401 кДж/кг. Коэффициенты аккумуляции теплоты формы b_ф из различных материалов приведены ниже.

4. СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА

1. Цель работы.

2. Краткое описание теоретической части.

3. Методика проведения опытов.

4. Таблицы экспериментальных и расчетных данных.

5. Полученные графические зависимости.

6. Результаты вычисления коэффициентов затвердевания и их сопоставление с экспериментальными с объяснением причин расхождения.

7. Выводы.

5. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Дайте определение закона квадратного корня.

2. Что такое процесс кристаллизации?

3. Чем отличается процесс затвердевания от процесса кристаллизации?

4. Что такое двухфазная область затвердевания отливки?

5. Как влияют теплофизические свойства формовочных материалов на процесс затвердевания отливок?

6. Сущность метода декантации жидкого остатка.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: