для алюминиевой отливки |
|
|
X „ |
2700*93 |
7 = 2,02. |
— = 2 |
-------------т---------- |
|
X , |
1500*0,26(659-20) |
|
Как видно, что в момент полного затвердевания отливки глубина прогретого слоя в сухой форме примерно равна толщине 2Х\ отливки. В сырой форме эта толщина должна быть почти в два раза меньше из-за большого значения коэффициента ее теплоемкости.
Вреальных условиях литья толщина неметаллической прослойки часто бывает больше толщины отливки. Отсюда следует, что первые три стадии охлаждения отливки в двухслойной форме протекают так, как если бы она охлаждалась в сплошной неметаллической форме.
Взависимости от конкретной толщины Хъпрослойки три стадии процесса могут рассчитываться по формулам, выведенным без учета влияния металлической опоки. Соответствующие формулы приводятся в следующем параграфе.
Будем рассматривать лишь четвертую стадию процесса, на которой в основном отражается влияние искусственного охлаждения отливки (посредством обдувки воздухом внешней поверхности опоки). При решении задачи предполагается, что все геометрические и термофизические характеристики отливки и формы известны.
Температура окружающей среды. Система, изображенная на рис. 10.47, применяется на практике для искусственного охлаждения отливки и сокращения за этот счет времени выдержки отливки в форме.
При решении задачи для четвертой стадии процесса воспользуемся приближенным методом, изложенным в предыдущем параграфе. Согласно этому методу охлаждение отливки в форме расчленяется на два процесса: первый процесс соответствует тепловому взаимодействию отливки и формы, второй - охлаждению всей системы «отливка - форма» в окружающей среде.
Вданном случае возникает дополнительная трудность, которая связана с тем, что теплоаккумулирующей способностью вещества прослойки, как это было сделано прежде, пренебречь нельзя. Эту трудность в первом грубом приближении можно преодолеть, если тепловую емкость прослойки частично придать отливке, а частично - опоке. В результате решение задачи будет походить на решение задачи для массивного кокиля. Разница получается лишь
взначениях отдельных величин, входящих в расчетные формулы. Предположим вначале, что плоская отливка охлаждается в симметричной
двухслойной форме (рис. 10.54). При этом средняя калориметрическая температура системы, найденная по формуле (10.195),
++(«+ »*>!■
1 + /и+ т + т"
где
Второй вариант решения позволяет приближенно определять температуру отливки и опоки как функцию времени для несимметричной задачи (рис. 10.53).
Если начальные температуры стержня и двухслойной формы равны между собой и не равны гокр, то получается более сложное дифференциальное уравнение, которое может быть легко решено известными методами.
10.6.4. Способы воздействия на процесс формирования отливки
Выведенные в предыдущих главах формулы связывают все главные факторы, характеризующие процесс формирования отливки. Вместе с тем без предварительного анализа непосредственно из формул еще не видно, какова степень влияния отдельных факторов на ход процесса формирования. В связи с этим в настоящем параграфе рассматривается вопрос о количественной стороне влияния параметров технологического процесса на ход формирования отливки. Такая постановка вопроса обусловлена тем, что инженеру очень важно знать заранее, какими возможностями он располагает при выборе технологического процесса с целью получения отливки с наперед заданными свойствами.
1. Влияние материала отливки
Ограничимся рассмотрением тех свойств, которые в той или иной мере связаны с тепловой стороной явления.
Интервал температур кристаллизации. Он является самым важным фактором, определяющим механизм процесса затвердевания (последовательное или объемное затвердевание), следовательно, и специфические особенности формирования структуры отливки. Кроме того, внутри интервала AtKp образуются усадочные дефекты, горячие трещины и ликвационные явления.
Влияние интервала температур кристаллизации может в значительной мере погашаться действием теплофизических факторов, которые технолог может задавать по своему усмотрению (интенсивность охлаждения, от которой зависит перепад 8\t температуры в сечении отливки и т. д.).
Теплофизические и физико-механические свойства. Теплофизические свойства материала отливки влияют на процесс формирования в самых различных направлениях. Например, возрастание коэффициента теплопроводности Х\ приводит к уменьшению перепада температуры 8\t в сечении отливки за счет уменьшения критерия Bi\. В этом же направлении действует коэффициент аккумуляции в, = и удельная теплота
кристаллизации р\. Уменьшение 8\t связано со снижением термических напряжений и усадки отливки, но приводит к развитию процесса объемного затвердевания металла.
Следует отметить, что теплофизические свойства металла, как правило, оказываются заданными. Вместе с тем путем модифицирования и легирования
в принципе можно изменить теплофизические свойства материала в нужном направлении для получения необходимых структур в отливках.
Процесс формирования структуры металла в отливках зависит от коэффициента линейного расширения и упругопластических свойств металла. От этих свойств зависит усадка отливки, определяющая величину газовой прослойки ХТЛ1, а следовательно, и интенсивность теплообмена между отливкой и формой.
Важную роль играет растворимость газов при различных температурах, так как газы, выделяющиеся из отливки, создают определенное термическое сопротивление на ее поверхности. В этом отношении особый интерес представляет водород, обладающий наибольшим коэффициентом теплопроводности.
Способность металла к окислению определяет дополнительное термическое сопротивление, которое возникает на поверхности отливки при ее охлаждении в форме.
Все эти вопросы имеют важное значение для процесса формирования отливки, однако они пока еще мало изучены.
2. Влияние материала формы
Коэффициент аккумуляции тепла. Одной из наиболее сильных мер воздействия на процесс формирования отливки является выбор материала формы, обладающего необходимым значением коэффициента аккумуляции тепла. За счет соответствующего выбора коэффициента в2 удается в десятки раз изменить скорость затвердевания отливки. Эту возможность технолог всегда должен иметь в виду.
Выше было показано, что наименьшую скорость затвердевания отливки дают неметаллические формы, обладающие малым значением коэффициента аккумуляции тепла, Дж/(м2*с1/2*К):
в2 =^Л2С2у2.
Наименьшим значением коэффициента в2 обладают пеноматериалы - пенобетон, пеностекло и т. д. Затем идут асбест, сухая песчано-глинистая смесь с добавками асбеста или опилок, сухая песчано-глинистая смесь без добавок, сырая песчано-глинистая смесь, шамот, магнезит. Можно существенно изменить величину в2 (вдвое, втрое) за счет добавки чугунных опилок в обычную песчано-глинистую смесь.
В качестве примера на рис. 10.55 приведена зависимость времени г3 полного затвердевания плоской отливки из алюминиевого сплава толщиной 30 мм от коэффициента в2 (табл. 10.6).