Из рис. 6.28 следует:
что наибольшей жидкотекучестыо обладает эвтектический сплав, чистые металлы и интерметаллиды, кристаллизующиеся при постоянных температурах;
минимальная жидкотекучесть не наблюдается при концентрации предельной растворимости второго компонента в основе сплавов, где интервал кристаллизации достигает максимального значения;
минимальная жидкотекучесть соответствует точке пересечения нулевой жидкотекучести (штриховая линия) с линией эвтектического превращения, хотя разница в этих двух точках величины жидкотекучести невелика.
Рпс. 6.28. Зависимость жидкотекучести А системы сплавов от вида диаграммы состояния
Жидкотекучесть зависит от свойств сплава и формы. В большей степени жидкотекучесть зависит от температурного интервала кристаллизации, точнее от эффективного интервала кристаллизации, расположенного между линией ликвидус и линией нулевой жидкотекучести. Минимум жидкотекучести сплава соответствует максимальному эффективному интервалу кристаллизации. Это объясняется тем, что широкоинтервальные сплавы склонны к объемной кристаллизации и образованию разветвленных дендридов, затрудняющих течение расплава.
Максимальная жидкотекучесть наблюдается у эвтектических сплавов, что обеспечивается последовательным затвердеванием и уменьшением вязкости расплава.
Интересным является изменение вязкости: при постоянной температуре перегрева вязкость при повышенном содержании углерода снижается, однако это снижение обусловлено увеличением перегрева. В действительности при постоянном перегреве над температурой ликвидуса вязкость расплава при
повышении содержания углерода до эвтектической концентрации возрастает, так как при этом повышается степень микрогетерогенизации расплава.
Кроме интервала кристаллизации, на жидкотекучесть влияют физические
ихимические свойства металлов и сплавов.
Сповышением содержания в расплаве оксидов, нитридов, сульфидов жидкотекучесть уменьшается, а вязкость возрастает. Повышение температуры вязкость снижается и жидкотекучесть улучшается.
Сувеличением поверхностного натяжения жидкотекучесть ухудшается. Образование оксидных пленок на поверхности расплава резко повышает поверхностное натяжение. Поэтому необходимо разрушать такие пленки химическим путем, например, созданием восстановительной атмосферы на границе металл-форма при литье чугунов или повышением содержания в них фосфора, образующего легкоплавкую эвтектику и уменьшающего вязкость и поверхностное натяжение чугунов.
Зависимость жидкотекучести от теплоемкости сплавов определяют по уравнению
Qrmn = С (^зал ~ Т’ликв) Xg9 |
( 6 . 6 1 ) |
где Qlcn}l - количество отводимой теплоты до момента прекращения течения металла (нулевая жидкотеучесть), Дж; С - удельная теплоемкость, Дж/(кг • К); х - содержание частиц твердой фазы в расплаве при нулевой жидкотекучести; g - удельная скрытая теплота кристаллизации, Дж/кг.
Из уравнения (6.60) следует, что чем больше теплоемкость, удельная скрытая теплота кристаллизации и температура заливки металла, тем больше жидкотекучесть сплава.
Единственным переменным членом уравнения является для конкретного сплава температура заливки.
Однако использование перегрева расплава ограничено, так как высокая температура перегрева (заливки) способствует газопоглащению, образованию грубозернистой структуры, возникновению усадочных дефектов. Поэтому недостающий перегрев металла можно компенсировать подогревом формы.
Жидкотекучесть зависит от свойств формы. Теплоотдача с поверхности расплава формы оценивается через коэффициент, предложенный А. И. Вейником:
(л/л -л/г), |
(6 .6 2 ) |
где L - коэффициент, Дж/(м2 с1/2 К); Дф=л/САр - коэффициент теплоак- |
|
кумулирущей способности литейной формы; С - теплоемкость, |
Дж/(кг К); |
Я - теплопроводность, Дж/(м К • с); р - плотность формы, кг/м3
С увеличением Вф возрастает L, следовательно, жидкотекучесть сплава ухудшается. Например, песчаная форма медленнее отводит тепло, чем металлическая, и жидкотекучесть в ней лучше.
Между стенками формы и расплавом возникает трение, коэффициент трения тем выше, чем больше шероховатость стенки, и тем хуже будет
жидкотекучесть. В песчаной форме, чем больше диаметр зерна, тем меньше жидкотекучесть.
Снижает шероховатость нанесением покрытий, созданием газовой прослойки на границе металл-форма. Однако если газов и паров образуется много, форма их не успевает отводить или сама дополнительно выделяет газы, пары, то в форме создается газовое противодавление движущемуся расплаву, и жидкотекучесть ухудшается. В таких случаях необходимо устраивать выпоры на всех выступающих частях отливки.
Заполняемость форм. Комплекс технологических факторов, характеризующих условия заполнения формы, называют заполняемостью. Жидкотекучесть можно рассматривать как составляющую этого комплекса, определяющую качество сплава как литейного материала. Кроме того, жидкотекучесть можно рассматривать как характеристику заполняемости данным способом формы технологической пробы. Преобразуем формулу (5.52) следующим образом:
t + B н 2gM |
(6.63) |
1+Z *
Жидкотекучесть Л в этой формуле можно трактовать как максимальную длину стенки отливки толщиной 2R, которая заполняется при условиях, выражаемых в правой части неравенства как произведение члена, зависящего от условий охлаждения (первый), на член, зависящий от условий течения (второй).
Из выражения (6.63) следует:
1) что трудности заполнения будут возрастать обратно пропорционально квадрату толщины стенки отливки;
2)чем меньше стенка, тем выше должен быть перегрев для обеспечения заполняемости;
3)чем выше теплопроводность материала формы, тем хуже заполняемость;
4)на заполняемость литейной формы влияет вид материала (табл. 6.11).
Таблица 6.11
Влияние вида материала на заполняемость________________
Вид материала формы |
Заполняемость, % |
Песчано-глинистая смесь: |
|
сырая |
94 |
сухая |
100 |
Опилочная смесь |
118-122 |
Металлическая форма (чугунная) |
60-75 |
В табл. 6.12 приведены практические данные о рекомендуемых температурах заливки для чугуна и стали при различных толщинах стенок отливок.
Таблица 6.12
Температура заливки в зависимости от толщины стенок
Толщина стенок, |
Серый чугун |
Ковкий чугун |
Среднеуглеродистые |
|
мм |
стали |
|||
1350-1450 |
1380-1480 |
|||
До 5 |
- |
|||
5-10 |
1340-1430 |
1360-1450 |
1540-1580 |
|
10-20 |
1320-1400 |
1350 1430 |
1540-1550 |
|
20-50 |
1300-1380 |
- |
1530-1540 |
|
|
|
|
||
50-100 |
1230-1340 |
- |
1520-1530 |
|
100-200 |
1200-1300 |
- |
1510-1530 |
|
Более 200 |
1180-1280 |
- |
1500-1530 |
|
Для цветных сплавов рекомендуются следующие температуры заливки: |
||||
латуни - |
1050-1100 °С; |
|
|
|
бронзы - |
1100-1200 °С; |
|
|
|
алюминиевые сплавы - 670-750 °С; магниевые сплавы - 710-770 °С.
Заполняемость вертикальных стенок лучше, чем горизонтальных (рис. 6.29, а). Подвод металла сверху обеспечивает лучшую заполняемость, чем подвод снизу (рис.. 6.29, б). Утолщение стенок, расположенных вдоль направления потока, улучшает заполняемость, а расположенных поперек потока, ухудшает ее (рис. 6.29, в). Для облегчения заполняемости применяют рассредоточенный подвод несколькими литниками (рис. 6.29, г).
Заполнение особо тонких элементов отливок, толщиной менее 5 мм, связано с преодолением поверхностного натяжения сплава (например, при литье по выплавляемым моделям). _
Рис. 6.29. Схемы заполняемости элементов отливок
Для этой цели необходим гидростатический напор |
|
Н = 2асо$Я-> |
(6.64) |
Rgp |
|
где Q - угол смачивания металлом материала формы; р - |
плотность жидкого |
металла. |
|
Таким образом, заполняемость зависит от жидкотекуччести, конструкции формы, ее размеров, расположения отдельных элементов, способа подвода металла и условий литья и др.
6.11. Охлаждение металла при разливке
Важнейшим фактором, определяющим охлаждение металла при разливке, является температура печи перед выпуском.
При выпуске металла из печи в ковш его теплота теряется за счет охлаждения потока в желобе и струе. Основное количество теплоты отводится с поверхности потока излучением, интенсивность которого по закону СтефанаБольцмана пропорциональна разности температур тела и окружающей среды в
четвертых степенях г1Ш= (/,„-О* При выпуске стали из мартеновских или электрических печей емкостью
15-35 т среднее снижение температуры для стали при выпуске в ковш составляет 30-60 °С, для чугуна - 10-30 °С.
Потери температуры при выпуске из печи цветных сплавов сравнительно невелики.
Охлаждение сплава в ковше происходит за счет нагревания его стенок и излучения с поверхности жидкого сплава. Интенсивность охлаждения, прежде всего, зависит от массы металла (табл. 6.13).
Таблица 6.13
Зависимость интенсивности охлаясдения расплава от емкости ковша (время выдержки -15 мин)
Емкость |
0,05 |
0,15 |
0,3 |
1-2 |
3-4 |
20 |
100 |
|
ковша, т |
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
||
Скорость |
|
|
|
|
|
|
|
|
охлаждения, |
|
|
|
|
|
|
|
|
град/мин: |
|
|
|
|
|
|
|
|
сталь |
15-40 |
30-60 |
20-40 |
10-25 |
3-12 |
1.5-3,5 |
0,9-4,2 |
|
чугун |
12-30 |
10-20 |
4-10 |
2-8 |
|
|
Чем выше температура предварительного нагрева ковша, тем медленнее охлаждается металл (табл. 6.14).
Таблица 6.14
Влияние времени разогрева ковша коксом на скорость охлаждения стали
_________ (4,5 т стали в ковше за первые 15 мин после выпуска)____________
Время разогрева ковша |
Без подогрева |
5 |
12 |
|
коксом, ч |
||||
Сушка дровами |
|
|
||
Скорость охлаждения |
9-12 |
3,5-4 |
||
стали град/мин |
15-35 |
|||
|
|
|||
Существенное |
влияние на замедление |
скорости |
охлаждения может |
оказать слой шлака, выпускаемого из печи на поверхность металла (табл. 6.15).