Рис. 10.58. Зависимость относительного количества теплоты , потерянной в окруж аю щ ую ср еду, от относительной толщ ины стенки ф ормы . Отливка - чугунная (обозначения те ж е)
С уменьшением толщины Х2 стенки формы роль внешнего охлаждения существенно возрастает. При малых значениях Х2 основное количество теплоты, теряемой отливкой, передается в окружающую среду. Отсюда ясно, что искусственное охлаждение отливки следует применять именно при малых Х2, когда теплоаккумулирующая способность формы пренебрежимо мала по сравнению с таковой отливки. В этих условиях увеличение интенсивности внешнего охлаждения формы (коэффициента а3) должно привести к заметному возрастанию теплоотвода от отливки, а следовательно, и скорости затвердевания металла.
Вынужденная конвекция. Интенсификация процесса затвердевания отливки достигается за счет создания вынужденного движения охлаждающей среды (воды или воздуха) на наружной поверхности формы. Это приводит к относительному увеличению интенсивности внешнего теплообмена.
Для более успешного применения искусственного охлаждения целесообразно снизить термическое сопротивление за счет уменьшения толщины Х2 стенки формы и повышения коэффициента теплопроводности Л2 ее материала (применяются медные и алюминиевые формы).
Коэффициент теплоотдачи а3 подсчитывается по формулам в 10.1, а процесс охлаждения отливки в тонкостенной форме - по формулам в 10.6.1.
В последнее время вместо медных водоохлаждаемых форм начали применять алюминиевые с оксидированной (анодное окисление) внутренней поверхностью, которые использовались для отливок чугунных деталей.
5. Температурные условия
Начальная температура отливки. Здесь рассматривается вопрос о влиянии температуры заливаемого металла на тепловой режим системы «отливка - форма».
Металлическая форма. При охлаждении отливки в тонкостенной металлической форме перегрев металла относительно температуры кристаллизации практически не влияет на тепловой режим системы. Это объясняется тем, что в условиях тонкостенной формы почти вся теплота, отведенная от поверхности отливки, переходит в окружающую среду (охлаждающую жидкость). Иными словами, величина теплового потока на поверхности отливки в данный момент не зависит от того, какое количество тепла было отведено за предшествующий период, а целиком определяется текущими значениями разности температур Лп - tc и коэффициента теплоотдачи а\. Именно поэтому любой большой перегрев не должен сказаться на скорости затвердевания и дальнейшего охлаждения металла в тонкостенной форме.
В случае массивной металлической формы количество теплоты, потерянной отливкой, остается в основном в форме, и только небольшая часть теряется в окружающую среду. В этих условиях аккумулирующая способность формы частично расходуется на отвод теплоты перегрева, вследствие чего с увеличением перегрева скорость процесса затвердевания и дальнейшего охлаждения отливки несколько уменьшается. Однако при обычных перегревах металла это уменьшение оказывается очень значительным.
Неметаллическая форма. В случае охлаждения отливки в неметаллической форме картина заметно изменяется. Неметаллическая форма прогревается с весьма большой интенсивностью (Вь » 1). Это приводит к тому, что величина теплового потока, поступающего в форму, с течением времени быстро уменьшается (количество теплоты пропорционально корню квадратному из времени). В результате при незначительных перегревах процесс затвердевания отливки происходит в условиях большой скорости поглощения тепла формой. При больших перегревах, наоборот, процесс затвердевания происходит медленно, так как часть аккумулирующей способности формы была уже израсходована раньше при отводе теплоты перегрева.
Начальная температура формы. Тонкостенный кокиль. В общем случае начальная температура формы оказывает влияние на процесс формирования отливки. Об этом можно судить по формулам, которые приведены в 10.6.
Если отливка охлаждается в тонкостенной металлической форме, то начальная температура /2»ач практически не влияет на процесс. Это объясняется пренебрежимо малой теплоаккумулирующей способностью формы по сравнению с теплоаккумулирующей способностью отливки. В результате после заливки металла при любой величине Ь»тч температура формы быстро устанавливается на уровне, который обусловлен величинами термических сопротивлений на внутренней и наружной поверхностях формы и температурами поверхности отливки и окружающей среды. Поэтому в случае тонкостенной металлической формы решающее влияние на процесс оказывает не начальная температура формы, а температура окружающей среды tc, поскольку эта среда воспринимает основное количество теплоты, теряемой отливкой. Практически тонкостенные формы применяются для
интенсификации процесса формирования отливки, а в качестве охлаждающей жидкости используется вода. Изменение температуры ограничено какиминибудь 50 °С. Это может дать всего несколько процентов разницы в скорости затвердевания отливки.
Большего эффекта можно добиться путем увеличения скорости движения воды сов рубашке кокиля. Уменьшать заметно величину а3 нельзя, это вызовет разогрев формы выше 100 °С, что приведет к кипению воды в рубашке кокиля.
В целом за счет изменения параметров водяного охлаждения tc и со скорость затвердевания можно изменить всего на несколько десятков процентов.
Массивный кокиль. По мере увеличения относительной толщины формы возрастает роль ее теплоаккумулирующей способности и уменьшается роль внешнего теплообмена (массивная форма). В связи с этим большое значение приобретает температура t2Hач по сравнению с t0кр. При затвердевании отливки большее количество теплоты остается в кокиле и меньше передается в окружающую среду.
Методом повышения начальной температуры кокиля можно снизить скорость затвердевания металла (рис. 10.59). На практике высокие начальные температуры кокиля не употребляются вследствие резкого снижения стойкости металлической формы. В реальных условиях литья за счет начальной температуры кокиля скорость затвердевания и дальнейшего охлаждения отливки можно изменить на несколько десятков процентов (рис 10.60).
Рис. 10.59. В л ияние начальной тем пературы ч угунн ого
кокиля на время гз, т2 и разность гз - т2
Рис. 10.60. Зависимость времени затвердевания плоской стальной отливки от начальной температуры формы
Неметаллическая форма. Повышение температуры неметаллической формы так же, как и массивного кокиля, приводит к быстрому уменьшению скорости затвердевания и дальнейшему охлаждению отливки в десятки раз.
На практике иногда пользуются неметаллическими формами, нагретыми до очень высоких температур (порядка 700-800 °С). При такой температуре металл хорошо заполняет форму и воспроизводит ее конфигурацию, что важно при точном литье. Кроме того, медленное затвердевание сокращает образование крупных кристаллов и способствует фильтрации жидкой фазы через поры крупных размеров, что приводит к уменьшению брака по усадочным раковинам (для отливок турбин и магнитных материалов).
Меры теплового воздействия. Для воздействия на процесс формирования различных частей отливки часто применяют специальные меры, которые приводят к местному захолаживанию металла. К таким мерам относится использование внутренних и наружных холодильников. Кроме того, иногда применяют утепление или даже разогрев отдельных частей формирующейся отливки. Ниже рассматриваются все эти способы теплового воздействия на отливку.
Наружные холодильники. Если отливка обладает не равномерным по длине сечением, то для создания процесса неправильного или одновременного затвердевания приходится применять специальные меры для того, чтобы более массивные участки отливки охлаждались с такой же высокой скоростью, как у менее массивных участков. С этой целью обычно применяют металлические холодильники, которые монтируются в песчано-глинистую форму. Поверхность холодильника, соприкасающаяся с отливкой, часто покрывается слоем теплоизоляционной краски.
Процесс затвердевания отливки в месте постановки холодильника можно приближенно рассчитать по формулам, выведенным в 10.6. При определении закона затвердевания следует пользоваться принципом стабильности теплового потока.
4.Как подсчитывается количество теплоты, передаваемой через неограниченную плоскую стенку, обладающую толщиной X и коэффициентом теплопроводности Я и
разделяющую среды У и 2 с разными температурами /jc и ьс, и коэффициентами теплоотдачи а\ и сь (рис. 10.1)?
5.Как определяется полное термическое сопротивление?
6.Что такое температурный напор и температурный перепад в отливках?
7.Как определяется величина теплового потока в случае теплопередачи через плоскую, цилиндрическую и шаровую стенки?
8.Как определяется распределение температуры в сечении отливки?
9. Дайте определение «направляющей точки», «критерия Био». Что означает: Bi « 1,
\, B i » 1?
10.Дайте классификацию условий литья.
11.Коротко опишите пять различных стадий охлаждения отливки.
12.Сформулируйте закон затвердевания отливки: (закон продвижения фронта затвердевания по времени, линейная скорость затвердевания металла, температурное
поле отливки и количество потерянной теплоты)? Отливка - плоская: Bi « 1, В\ * 1 и
B i » 1.
13.Обоснуйте выбор показателя п.
14.Что такое приведенный размер отливки?
15.В чем заключается суть расчета процесса затвердевания отливки по методу эквивалентных отливок?
16.Что такое переходная зона?
17.Что такое удельная теплота кристаллизации, удельная теплоемкость, коэффициент теплопроводности?
18.Что характеризует понятие спектральной теплоты кристаллизации внутри интервала кристаллизации? Как ее можно определить?
19.Что такое эффективная спекгральная теплота кристаллизации и эффективная удельная теплота кристаллизации?
20.Что характеризует понятие «удельная теплоемкость» и «эффективная удельная теплоемкость»? Экспериментальное определение этих физических величин.
21.Назовите основные принципы (условия) выбора расчетных значений удельной теплоты кристаллизации р\ и температуры кристаллизации /кр при использовании
метода эквивалентной отливки.
22.Установите закон затвердевания, температурное поле, количество переданной теплоты, ширину переходной зоны для эквивалентной отливки, кристаллизующейся при постоянной температуре.
23.Объясните теплофизическую сущность последовательного и объемного затвердевания металла.
24.С помощью инженерных методов расчета затвердевания отливок определите расчетные параметры /с и а\ для частных условий литья и установите закон
затвердевания отливки тонкостенного кокиля, массивного кокиля, двухслойной формы.
25.Какие способы воздействия на процесс формирования отливки Вы знаете?
26.Как влияет материал отливки на процесс затвердевания отливки?
27.Как влияет материал формы на процесс затвердевания отливки?
28.Как влияют геометрические характеристики отливки и формы на процесс затвердевания металла?
29.Как влияет скорость охлаждения формы на процесс формирования отливки?
30.Как влияет значение коэффициента Bi на скорость затвердевания отливки?