ЧЕТВЕРТАЯ Гидромеханические явления процесса формирования отливок

Гидромеханические явления поведения металлических расплавов рассмотрим, во-первых, как приложения законов гидростатики и гидродинамики к анализу технологических операций, связанных с жидким металлом. И, во-вторых, для металлов и сплавов с перегревом 20...100 °С и выше над температурой затвердевания, при котором металлические расплавы ведут себя как обычные капельные (ньютоновские) жидкости.

Приложения законов гидростатики к поведению расплавов металлов в литейных печах, ковшах, разливочных устройствах, литейных формах

Величина давления расплава на дно ковша, литейной формы описывается выражением

где р₀ — величина давления на свободную поверхность расплава, чаще всего оно равно атмосферному давлению р₀ =р_атм; р — плотность расплава; g — ускорение свободного падения; h — высота столба жидкого металла.

Но в некоторых практических случаях литейных технологий р₀^Ратм> например, в вакуумных печах, литейных формах, заливаемых вакуумным всасыванием или под разрежением Ро<р_атм- И, напротив, в герметизированных ковшах при модифицировании чугуна магнием в автоклавном способе литья р₀ > р_атм.

По величине рассчитанного давления р_д определяем силу Р разрушения, действующую на дно ковша (литейной формы в самой нижней ее части):

где F — площадь плоской поверхности дна ковша (литейной формы).

Если полость литейной формы, полость ковша или печи имеет непостоянное по высоте поперечное сечение, то в расчетах следует учитывать известный гидростатический парадокс и вместо величины металлостатического давления pgh принимать величину силы тяжести жидкого металла, находящегося в емкости — mg, где т — масса жидкого металла.

Величина силы давления, действующей на боковую поверхность литейной формы, ковша, печи, определяется из выражения

где р_б — расчетная величина давления расплава на боковую поверхность: PQ = h₆pg; h₆ = h/2 — половина величины металлостатического напора; Е_б — площадь проекции боковой поверхности литейной формы (ковша, печи).

По величине силы давления на боковую поверхность рассчитывают усилие раздвижения полуформ при вертикальной плоскости разъема и соответственно усилие запирания таких форм.

Большая роль в литейных технологиях отводится применению закона Архимеда — поведению твердых тел, погруженных в жидкость, в нашем случае в расплав металла. Сила давления расплава на погруженное в него твердое тело рассчитывается следующим образом:

где W — объемное водоизмещение, т.е. объем расплава, вытесненного погруженным твердым (или жидким нерастворимым в металле) телом.

Если pW = т, то имеет место равновесие, где т — масса погруженного в расплав тела (литейный стержень, частицы шлака, инородный металл). При условии т > рW происходит погружение (опускание) в расплав, а при т < рW — всплывание (подъем) инородного тела. Итак, если масса литейного стержня меньше величины «водоизмещения» — рW, то будет происходить всплывание стержня, и необходимо применять дополнительные технологические приемы, чтобы предупредить это явление (устройство жеребеек, увеличение размеров знаков стержней, приклеивание знаков стержней к форме). Заметим, что в соответствии с законом Архимеда подъемная сила, действующая на стержни и другие тела, погруженные в расплав легких сплавов, меньше, чем для тяжелых металлов пропорционально величине плотности расплава р.

Для однородной массы шлаковых частиц (флюсы, оксиды) без внутренних пустот и раковин закон Архимеда преобразуется в виде соотношения плотностей металла и шлака. В большинстве своем рщд < р_мет (для чугунов и сталей р^ ~ 2...3 г/см³, а р^ = 7,2... 7,4 г/см³), и потому шлак всплывает на поверхность в печах и ковшах. Это явление используют при разработке процессов плавки, рафинирования металлов и сплавов. Для шлаковых частиц не очень мелких размеров (более 1 мм) скорость всплывания рассчитывают по формуле

где d — диаметр шлаковой частицы; g — ускорение свободного падения.

Для легких сплавов на основе магния и алюминия соотношение плотностей оксидов и расплава металла иное, а именно р_окс > р_мет (Pai₂o₃ = ⁴>³ г/см³, Ра]жид = ²>⁴ г/см³), поэтому частицы оксидов тонут и располагаются в нижней части металлической ванны.

Для легких сплавов подбор состава покровных шлаков, обеспечивающих их постоянное и стабильное расположение на поверхности расплава (р_шл < р_мет) рассматривается в виде основного технологического параметра.

На основе законов гидростатики рассчитываются усилия нагружения песчаных форм и запирания металлических форм. Для форм с горизонтальной плоскостью (поверхностью) разъема усилие на верхнюю полуформу, развиваемое металлостатическим давлением металла, определяется из выражения

где h_p — расчетный металлостатический напор; F— проекция профиля полости на верхнюю горизонтальную плоскость формы.

Если в форме имеется стержень (или несколько стержней), то к величине Р_рас плюсуется подъемная сила стержня:

Естественно, при Р < 0 подъемная сила стержня отсутствует.

Отсюда усилие нагружения (закрепления) форм при горизонтальной плоскости разъема

где m_uep — масса верхней полуформы.

Усилие запирания металлических форм с вертикальной плоскостью разъема при свободной (гравитационной) заливке рассчитывают по силе, действующей на боковую поверхность:

Усилие запирания металлических форм для специальных видов литья, когда формирование отливки происходит в условиях действия принудительного давления р_р (давления сжатого воздуха в литье под низким давлением, давления прессующего поршня в литье под давлением, давления пуансона при штамповке жидких сплавов), рассчитывается по формуле

где к — эмпирический коэффициент (/с>1), определенный для вида литья, сплава и других параметров; F_p — площадь проекции отливки (включая литники, прибыли, промывники) на плоскость разъема.