Бураков (Бураков С.Л. Литье в кокиль), страница 11

При этом усадочная раковина локализуется в верхней (по заливке) части отливки. Так продолжается до тех пор, пока скорость подачи расплава к фронту затвердевания больше или равна скорости изменения дефицита питания. В противном случае формируется осевая пористость. Из условия равенства скоростей подачи расплава и изменения дефицита питания получена формула для размеров зоны осевой пористости плоской отливки 1491 ', зб.„р,дон (38) грХ, Объемное еааеоердееание удвоении скорости затвердевания (в случае перехода от песчаной формы к металлической) размер пористой зоны возрастает в 1,6 раза. Увеличению размеров пористой зоны способствуют также рост высоты отливки и утонение ее стенки 1491. 3. ОБЪЕМНОЕ ЗАТВЕРДЕВАНИЕ Особенности процесса. Прн объемном затвердевании отливки (условие (36)1 механизм усадочных явлений сильно отличается от рассмотренного выше.

В данном случае условия питания отливки одинаковы во всем ее объеме. В начальной стадии процесса — вблизи температуры ликвидуса Т,„, — движение жидкой фазы осуществляется свободно. Течение сплава с некоторым количеством кристаллов носит структурный характер. При этом средняя часть потока (ядро) движется как единое целое 1491. Так продолжается до тех пор, пока относительное количество твердой фазы не достигнет некоторой величины. По данным работы [211 кристаллы образуют неподвижный скелет, когда количество выпавшей фазы примерно составляет 30 — 40%. По другим данным эта величина равна 25 — ЗОУо. С момента образования неподвижной сетки кристаллов питание отливки определяется закономерностями фильтрации жидкой фазы.

Фильтрация металла прекращается при выпадении около 80о4 твердой фазы. При этом ячейки с жидким металлом разобщаются и питание отливки в обычных условиях становится невозможнымм. Изменение объема затвердевшей отливки или ее элемента в условиях объемного процесса может быть охарактеризовано функцией одной переменной — времени. Графическое изображение одной из таких функций, а именно скорости пе изменения дефицита питания, приведено в виде кривой 1 на рис.

25. Вид этой кривой. зависит от конкретных условий затвердевания отливки, что видно из приведенных ниже расчетных формул. На кривой имеется ряд характерных точек. В точке, соответствующей абсциссе (ж, происходит схватывание кристаллов в неподвижную сетку. С момента ео, питание отливки может осуществляться только путем фильтрации жидкой фазы через эту сетку, В момент 5, разросшиеся кристаллы разобщают находящуюся между нимв жидкую фазу; фильтрация, обеспечивающая питание, прекращается. В момент е,. происходит полное затвердевание отливки. Для того чтобы в отливке не образовалось пустот, в нее за время Л1 должен войти объем расплава (рис. 25, а): Л уоа = шЛЕ Здесь Л)оа — дефицит питания в интервале времени М. Очевидно полный дефицит объема (Т', металла в отливке равен площади над кривой 1.

Осодепыоспги упадочных пдоЦессга гоп Ъ а) г г г Гг гоп гас гоп гаа гоо гас гоп гад гоо гоп г а) г) Рнс. 25. Диаграмма питании отлипни: 1 — потребнмй длн питании отлникн расход металла; 2 — поеможнмй расход металла В интервале М" = ㄠ— 12, отливка затвердевает в условиях, когда жидкая фаза находится в разобщенных ячейках. При этом питание этих ячеек отсутствует. Следовательно, площадь над кривой 1 от момента (~, до момента г„ равна тому дефициту питания сро г„, который не восполняется питанием, т.

е. эта площадь соответствует неизбежному объему усадочных дефектов. Устранить этот объем частично или полностью можно, например, путем применения давления, способного интенсифицировать фильтрацию жидкой фазы или разрушить ячеистую структуру твердых кристаллов. Питающий элемент отливки (включая питатель или перешеек прибыли) должен пропустить через себя объем жидкого металла, равный В', — )рт г„. Объем этот необходим для предотвращения возникновения пустот в питаемом узле отливки (или отливки в целом).

При расчетах условий, обеспечивающих восполнение дефицита питания фильтрацией, величиной 2р г„можно пренебречь. В этом случае, очевидно, возникает некоторый технологический запас питания. Диаграмма питания отливки. Кривая 2 на рис. 25, б характеризует изменение объемного расхода жидкого металла через ПИтаЮЩИй ЭЛЕМЕНТ. ТОЧКа (ап СООтВЕтетВУЕт МОМЕНТУ ПРЕКРаЩЕНИЯ обычного течения расплава (т. е. началу процесса фильтрации), а точка са„— прекращению фильтрации и образованию разобщенных ячеек жидкой фазы. Площадь под кривой в интервале ~ап е3п СООтВЕтетВуЕт тОМу ОбЪЕМу жИдКОй фаЗЫ, КОтОрЫй МО- жет быть подан в питаемый узел. Обяемнве вамвердевание йй Таким образом, по формуле (40) рассчитывают кривую 1 на рис. 25.

Кривую 2 на рис. 25 рассчитывают на основе уравнения закона ламинарной фильтрации (Дарси): дФ' К др (41) де ееч где К вЂ” коэффициент фильтрации; др!дх — градиент давленая; ㄄— сечение потока фильтрации. Как показано в работе [21[, К = Ае(еа — ()аь (42) В этом выражении Ае и и, — коэффициенты. Для практических расчетов можно принять Ае — — 6.10-' м)се н ие = 1. Интегрирование уравнения (41) с учетом (42) дает В' = ' "", — ~ [(два — авва)в'+' — (1ва — 1)" +'[.

[ае + 1) яр', дх (43) В момент окончания фильтрации (1= ев,) [Р— — (гв. — гв )" + = (ЛФ+1)яр! дв а (43') Наложение кривых 1 и 2 позволяет получить полную картину питания отливки при условии (36). В зависимости от относительного положения этих кривых отливка будет иметь тот или иной объем усадочных дефектов. График, на котором сопоставляются кривые 1 и 2, называется диаграммой питания отливки [21). На рис. 25, в показано совмещение кривых, когда соотношение между необходимым для питания расходом жидкой фазы и расходом жидкого металла через питающий элемент является неудовлетворительным: объем усадочных дефектов соответствует заштрихованной области графика. Расположение кривых на рис.

25, г соответствует таким условиям, когда питание отливки обеспечивается в течение всего процесса затвердевания, вплоть до точки 1,. При этом объем усадочных дефектов оказывается минимальным ([Р ы), а плотность — максимально возможной. Расчетные формулы. Диаграмма питания позволяет в каждом отдельном случае определить объем усадочных дефектов в отливке и найти ее фактическую плотность.

С помощью диаграммы, а также приведенных ниже формул можно рассчитать параметры технологии, обеспечивающие заданную плотность литого металла. Дефицит питания %' как функцию времени находят по формуле [[а Ре Р[ )е [) )е (39) Ре Объем затвердевшего металла [е, при литье в обычные и облицованные кокили определяют по формулам гл.

П. Очевидно (40) Особенности усадочныд проясссоо что соответствует количеству жидкой фазы, перетекающей через питающий элемент. При литье в кокиль г,' и 1; находят с помощью формул гл. 11. Если питающий элемент оформляется песчаной вставкой, то для вычисления этих величин можно использовать формулы работы (201. Приведенные выше формулы позволяют количественно оценить условия подпитки отливки путем фильтрации и оценить при этом влияние таких факторов, как площадь сечения и длина канала, по которому подводится расплав к питаемому узлу, давление, вследствие которого перемещается расплав, и интенсивность тепло- обмена между отливкой и формой.

Тепловая сторона процесса отражается на величинах гоп и 1дп. 4. ОБщий случАЙ зАтВБРдеВАния "со Тч Т Рис. 26. Схема распределение температуры м количества твердой Фааы в сечении отливвн: 1 — кривые длк момента С; р — кривые е' длн момент» т Механизм усадочных процессов при условии (37) характеризуется наибольшей сложностью. При этом условии в стенке отливки возникают три зоны: затвердевшая корочка толщиной $„„ слой твердо-жидкого состояния шириной ст$„р — — $акк — $сол (двухфазная переходная зона) и жидкое ядро шириной Х, — я,„„ (см. рис.

24, в). В переходной зоне возникают фильтрационные процессы, аналогичные рассмотренным выше. Их особенность только в том, что коэффициент фильтрации зависит от пространственной координаты: вблизи фронта ликвидуса К достигает максимальной величины, а вблизи фронта солидуса К вЂ” О. Для решения задачи о питании ~з отливки в рассматриваемом Т случае приходится учитывать поле значений коэффициента К, что сильно усложняет расчет. В работе 121) приведено прис ближенное решение задачи о ширине пористой зоны в пло- 1 ской отливке. Т Идея расчета иллюстрируется схемой на рис.

26. При наличии переходной зоны после достижения в осевой части отливки температуры Т„', соответствующей моменту гд схва- 0 тывания кристаллов, поступле- зо ОсновЫ выбора питающих элементов ние жидкой фазы из прибыли резко уменьшается. С этого момента затвердевание отливки происходит в условиях, когда жидкая фаза фильтруется из осевой зоны отливки в периферийную (вдоль радиуса). При этом осевая зона служит как бы прибылью для периферийной. Начальная ширина Гхя„р переходной зоны, соответствующая моменту гв, определяется температурами Т;, и Т;„; при температуре Т'„' прекращается фильтрация: эта температура несколько выше Т„, (рис. 26). Величину Аз„'р находят по формуле 1201 (44) ц с где и — показатель степени параболы, описывающей температурное поле отливки; Т, — температура окружающей среды.

Вследствие фильтрации жидкой фазы вдоль радиуса ширина пористой зоны А$„р < Гэя,р. Можно показать, что ц Рэ Рг (45) Р( Расчетные температуры Т' и Т„'', входящие в формулу (45), определяются количеством твердой фазы, при выпадении которой происходит схватывание кристаллов и разобщение жидких ячеек (величины с)' и «)в соответственно на рис.

26). Диаграммы состояния позволяют определить Т„н Т"„по известным с) и д'". Численные значения последних были указаны ранее. Для приближенной оценки Цпср можно принять в формуле (44) Т;, = Т,„, Тц =7ссп ° З. ОСНОВЫ ВЪ|БОРА ПИТАЮЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ Выбор прибыли должен удовлетворять очевидному условию: в любой момент времени объем жидкой фазы в прибыли должен быть не меньше, чем дефицит питания %' (полный дефицит питания определяется по формуле (39), если принять 1', = )сон). Данное условие является необходимым, но не достаточным. Оно учитывает только теплофизическую сторону процесса питания. При выборе оптимальной прибыли следует учитывать также гидродинамические факторы.

Выбор прибыли по необходимому условию сводится к построению диаграммы, аналогичной диаграмме питания (рис. 27). По формуле (39) и формулам для определения Рм приведенным в гл. 11', находим кривую 1. Далее определяем кривую 2 изменения объема %"„жидкой фазы в прибыли. Для этой цели используем те же формулы, что и для расчетов затвердевания отливки. Понятно, что выбор расчетных формул определяется условиями охлаждения прибыли (обычный или облицованный кокиль, песчаный стер- Особснностп усадопнмх и роасссоо Рнс. 77.