Материал: Теория литейных процессов

ГЛАВА 6. ГИДРОДИНАМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ (ПРОЦЕСС ЗАПОЛНЕНИЯ ФОРМЫ ЖИДКИМ МЕТАЛЛОМ)

Заполнение литейной формы является следующей технологической операцией после изготовления литейной формы и приготовления расплава. Заполнение формы заливкой почти всегда осуществляется через литниковую систему.

Применение литниковой системы вызвано следующими обстоятельствами:

при заливке необходимо избегать попадания в полость литейной формы частиц шлака, флюсов, оксидов, имеющихся в расплаве;

при заливке не следует допускать образования новых частиц оксидов и возникновения газовых пузырей в расплаве из-за захвата атмосферного воздуха;

необходимо учитывать, что заливка неравномерно разогревает литейную форму, вследствие этого меняются местные условия теплоотвода, направленность и интенсивность затвердевания отдельных участков отливки. По этим причинам в отливке могут возникать усадочные пороки (раковины, пористость), трещины и т. п.

В связи с этим к заполнению литейной формы нельзя подходить как к чисто гидравлическому процессу и учитывать только то, что заполнение должно быть завершено за время, пока расплав не потерял способность течь. Заливку нельзя проводить с излишне большой скоростью, так как при этом оказывается невозможным удалить имеющиеся загрязнения и предотвратить появление новых. Существует также оптимальное время заполнения формы, при котором создаются наиболее благоприятные условия для последующего затвердевания и получения плотной, здоровой отливки.

Таким образом, заполнение литейной формы расплавом представляет собой очень сложную и важную для получения качественной отливки технологическую операцию, определяемую разнообразными физико­ химическими явлениями, описываемыми гидростатикой и гидродинамикой.

6.1.Законы гидростатики Закон Паскаля. Пусть жидкость находится в неподвижном сосуде, и на

еесвободную поверхность действует внешнее давление Рвн* Необходимо определить, каково будет давление Р в этой жидкости на произвольной глубине h (рис. 6.1 ).

Мысленно выделим вертикальный цилиндр с малой площадью основания

/и высотой И. Составим уравнение сил, действующих по вертикальной оси. На

основание цилиндра сверху действует сила внешнего давления F = Рлн f и сила тяжести столба жидкости G = pghj\ где р - плотность жидкости; g - земное ускорение.

Рис. 6.1. Схема к выводу основного закона гидростатики

Снизу на основание цилиндра действует сила R, равная произведению R = Pf. Все остальные силы, определяемые давлением, действуют в горизонтальном направлении на боковую поверхность цилиндра и в уравнение

Следовательно, давление внутри жидкости равно сумме внешнего давления, оказываемого на жидкость, и давления самой жидкости, определяемого произведением плотности на земное ускорение и на глубину рассматриваемой точки от свободной поверхности. Давление в жидкости действует одинаково по всем направлениям.

Из уравнения (6.2) вытекает закон Паскаля: внешнее давление, приложенное к жидкости, передается равномерно и одинаково по всем направлениям и во все точки жидкости.

Проявление основного закона гидростатики можно видеть при заливке литейных форм с горизонтальным разъемом (рис. 6.2).

Рис. 6.2. Схема сил, действующих на верхнюю половину заполненной расплавом литейной формы

Взаполненной литейной форме, предназначенной для получения отливки

ввиде плиты, площадью S сила, создаваемая давлением расплава, будет равна

О= PS. Вкладом литниковой системы в данном случае пренебрегаем ввиду его малости.

Если сила Q превысит массу верхней полуформы G, то неизбежно эта полуформа будет поднята расплавом, и он вытечет по разъему наружу. Чтобы этого не происходило, формы перед заливкой либо специально нагружают, либо полуформы скрепляют между собой скобами. Масса груза и усилия скрепления задают с определенным запасом, так как при заполнении подъемная сила достигает значительно большей величины из-за так называемого гидравлического удара, возникающего в момент окончания заполнения полости формы. Поскольку подъемная сила прямо зависит от плотности расплава, то при работе с алюминиевыми или магниевыми сплавами эта сила оказывается малой и необходимость в нагружении или скреплении полуформ обычно отпадает.

Закон Архимеда. Гидростатическое давление жидкости, которое действует на всякое погруженное в жидкость тело в направлении, обратном действию силы тяжести, стремится вытолкнуть его на поверхность.

Найдем силу, действующую на тело произвольной формы ABCDEF, погруженное в жидкость (рис. 6.3). Спроектируем это тело на объемную поверхность жидкости, получим поверхность, которая проходит по контуру тела ALDK. Выделим объем жидкости KAFEDMN, который действует на тело сверху с силой, равной Q\ = KAFEDMN. Здесь рж - плотность жидкости; g - земное ускорение. Снизу на тело действует сила Q2yравная Q2= p,Kg VABCDMN»

Рис. 6 .3 . С хем а к вы воду зак он а А р х и м ед а

Равнодействующая этих двух сил

выталкивающая сила, равная по величине массе вытесненной жидкости. Это есть закон Архимеда.

Если архимедова сила Q больше массы самого тела, то оно всплывает на поверхность жидкости. Это определяется соотношением плотности жидкости Р* и тела рг.

Если р>к > рг, то тело всплывает, а если рж < Рг - тонет в жидкости.

В литейном производстве с действием закона Архимеда приходится считаться при использовании стержней - специальных частей формы, выполняющих внутренние полости в отливке. Материал стержней имеет плотность 1,6-1,8 г/см\ и поэтому только в магниевых сплавах, обладающих плотностью не более 1,6 г/см3, стержни не будут всплывать во время заливки. При получении отливок из чугунов, сталей, медных и алюминиевых сплавов всегда принимают специальные меры против возможного всплывания стержней.

При конструкции литейной формы, изображенной на рис. 6.4, а, теоретически на стержень не действует выталкивающая сила, поскольку он не охвачен жидкостью с нижней стороны. Однако практически всегда есть вероятность подтекания расплава под опорную часть стержня, так называемый знак, и тогда всплывание возможно. Поэтому на практике подобные стержни всегда укрепляют с помощью большого знака (опорной части) либо с помощью специальных жеребеек. При конструкции, изображенной на рис. 6.4, 6, произойдет всплывание стержня, если архимедова сила, определяемая объемом выступов 1 на стержне, окажется больше массы всего стержня.

Рис. 6 .4 . К онструкция литей ной форм ы , при которой всплы вание стержня в

расплаве теоретически н евозм ож но (а ) и вероятно ( б)

6.2.Законы гидродинамики

Закон постоянства расхода. Металлические расплавы обладают плотностью, не зависящей от давления. Поэтому при течении расплава по полностью заполненному каналу, площадь поперечного сечения которого

на участке канала с соответствующим сечением. Поскольку плотность расплава при всех условиях остается неизменной, то и массовый расход т = pg тоже постоянен.

Закон Бернулли. При движении жидкости в закрытом канале (рис. 6.5) в направлении от сечения 1 к сечению 2 происходят взаимные переходы кинетической и потенциальной энергий частиц жидкости. При этом в силу закона сохранения сумма обоих видов энергии остается постоянной.

Рис. 6 .5 . С хем а, поясняю щ ая закон Д . Б ернулли

Потенциальная энергия определяется высотой Z над произвольно выбранным уровнем, где Z = 0, и давлением Р. Кинетическая энергия определяется линейной скоростью движения жидкости V. Количественно закон постоянства энергии в рассматриваемом потоке выражается равенством

В приведенной форме уравнение Д. Бернулли характеризует поведение идеальной жидкости, имеющей нулевую вязкость и не испытывающей трения о