Жидкотекучесть сплавов и заполняемость литейной формы

Жидкотекучесть — способность металлов и сплавов в расплавленном состоянии заполнять литейную форму и воспроизводить полностью и четко ее очертания.

Природа жидкотекучести очень сложна и зависит от многих факторов, которые можно разделить на три группы.

К первой группе относятся факторы, связанные со свойствами и строением непосредственно самих металлов и сплавов: вязкость, поверхностное натяжение, теплоемкость, теплопроводность, температура, наличие включений — неметаллических и газовых, интервал кристаллизации и т.д.

Ко второй группе относятся факторы, связанные с состоянием и свойствами формы — ее теплофизические свойства, начальная температура, состояние поверхности, газотворность и газопроницаемость.

К третьей группе — факторы, определяющие условия заливки — конструкция и размеры литниковой системы, скорость заливки, характер движения потока и т.д.

Жидкотекучесть оказывает влияние как на заполнение формы, так и на получение качественной отливки. Например, при получении тонкостенной крупногабаритной отливки движение металла в форме может прекратиться раньше, чем она будет заполнена, получится дефект, называемый недоливом. При заполнении формы металлом с низкой жидкотекучестью могут образоваться и другие дефекты: неслитина, спай. Эти дефекты возникают, главным образом, на тонких стенках отливок или на удаленных от питателя частях отливки, где встречаются два или более потока металла, как правило, окисленные и охлажденные. Основной путь предупреждения таких дефектов — повышение жидкотекучести сплава за счет повышения температуры заливки металла.

Используемые в практике современные методы определения жидкотекучести основаны на измерении степени заполнения форм при условии, что свойства формы, перегрев металла над температурой ликвидуса, давление металла и гидравлическое сопротивление являются постоянными величинами.

Жидкотекучесть сплавов определяют по технологическим пробам. Мерой жидкотекучести во всех пробах является степень заполнения полости формы сплавом. Все пробы можно поделить на три группы проб: 1) постоянного сечения (спиральная, прутковая, лабиринтная, U-образная, винтовая); 2) переменного сечения (клиновая, шариковая); 3) комбинированные.

Для определения жидкотекучести с помощью проб постоянного сечения (круглого или трапецеидального) длину и площадь сечения полости формы устанавливают такими, чтобы металл к моменту остановки не заполнил всю полость до конца. Мерой жидкотекучести в этих пробах является длина полученного прутка в выбранных условиях заливки и охлаждения.

Пробы постоянного сечения для определения жидкотекучести

Рис. 4.11. Пробы постоянного сечения для определения жидкотекучести

Наиболее широко распространены спиральные пробы с центральным и боковым подводом металла. Первый вариант пробы приведен на рис. 4.11, а.

Форму пробы изготавливают в парных опоках (или собирают из стержней) и устанавливают под заливку строго горизонтально, по уровню. Через литниковую систему металл поступает в метал- лоприемник и полость формы. Конструкция литниковой системы и металлоприемника обеспечивает поступление металла в полость формы спирали с определенной постоянной скоростью. Иногда для достижения еще большего постоянства скорости стояк перекрывают пробкой, и металл заливают в чашу до определенного уровня. Здесь же в чаше замеряют термопарой температуру сплава и после этого поднимают пробку. На модели спирали и соответственно в форме имеются отметки, расположенные через 50 мм. Это облегчает измерение длины спирали. Именно эта длина отливки, выраженная в миллиметрах, и является характеристикой жидкотекучести

Пруткообразная проба для определения жидкотекучести

Рис. 4.12. Пруткообразная проба для определения жидкотекучести

сплава в данных условиях. Затем строят кривую зависимости длины залитой металлом спирали от температуры металла (или перегрева над ликвидусом в момент заливки). Эта кривая является надежным критерием качества металла с точки зрения заполнения формы и дает возможность контролировать температуру заливки металла.

Прутковая проба (длиной 700 мм и диаметром 8...10 мм) менее удобна, так как форма имеет большие размеры и требует тщательной установки в горизонтальное положение под заливку (рис. 4.12).

Для лабиринтной пробы изготавливают форму с каналом, меняющим направление на 90° через каждые 30 мм. Это в значительной мере устраняет влияние начального момента заполнения. Проба очень чувствительна к температуре металла; она дает заметную разницу в длине при перегревах, отличающихся всего на 25 °С.

Вертикальное расположение канала постоянного сечения имеет U-образная проба Ю.А. Нехендзи, А.М. Самарина, С.К. Кантени- ка (рис. 4.11, б), которую заливают в металлическую разъемную форму. Количественной характеристикой жидкотекучести в этом случае является длина заполнившейся части вертикального канала диаметром 6 мм. Длину прутка измеряют от места перехода ши-

Винтообразная проба для определения жидкотекучести

Рис. 4.13. Винтообразная проба для определения жидкотекучести:

1 — форма; 2 — винтовой канал; 3 — термопара

рокого стояка в узкий канал. Конструкция усовершенствованного варианта этой пробы (рис. 4.11, в) позволяет одновременно оценивать усадку сплава и склонность к образованию трещин.

[/-образную пробу применяют непосредственно на рабочих площадках сталеплавильных печей. Показатель жидкотекучести в известной мере характеризует и качество стали (газонасыщенность, загрязненность неметаллическими включениями, перегрев).

Винтовая проба В.Г. Грузина (рис. 4.13) позволяет определить жидкотекучесть сплава непосредственно в печи или ковше. Заполнение винтового канала 2 происходит при погружении графитовой формы 1 в металл; вмонтированная термопара 3 одновременно фиксирует температуру сплава.

В клиновых пробах металл заполняет полость формы переменного сечения.

Заливка клиновой пробы (рис. 4.14, а) производится в металлическую форму. Для того чтобы исключить ударное действие струи металла, вершину угла клина во время заливки располагают вертикально. Мерой жидкотекучести служит величина зазора между затвердевшим металлом и вершиной угла клина: чем меньше это расстояние, тем жидкотекучесть больше.

Шариковую пробу, разработанную А.Г. Спасским, можно получать как в песчаной, так и в металлической форме. Металлическая форма (рис. 4.14, б) с вертикальным разъемом состоит из двух половинок 4 клиновой вставки 3, соприкасающейся с шариком 2 диаметром 20 мм, вмонтированным в одну из половинок. Металл подводится в нижнюю часть полости формы через чашу 1, заполняет форму через литейный канал и протекает между вставкой 3 и шариком 2, оставляя отверстие. Форму перед заливкой нагревают. В зависимости от жидкотекучести металл заполняет полость на определенное расстояние. Мерой жидкотекучести металла в данной пробе является площадь или средний диаметр отверстия, об-

Пробы переменного сечения для определения жидкотекучести

Рис. 4.14. Пробы переменного сечения для определения жидкотекучести

разованного сплавом около точки соприкосновения шарика с полостью клина. Чем меньше площадь этого отверстия или его средний диаметр, тем более тонкостенную отливку может заполнить сплав в аналогичных условиях.

Следует отметить, что на показания проб переменного сечения, кроме подвижности сплава, решающее влияние оказывает поверхностное натяжение и определяемая им величина смачиваемости сплавом стенок формы. В случае смачивания формы литейным сплавом (при прочих равных условиях) отверстие имеет минимальные размеры, и наоборот, несмачивающие сплавы образуют отверстие больших размеров. Это относится и к клиновой пробе.

При сравнении сплавов различного состава с различными температурами ликвидуса и солидуса различают практическую, условную, истинную и нулевую жидкотекучесть сплавов.

Под практической понимают жидкотекучесть сплавов данной системы при одинаковой температуре заливки. В этом случае перегрев выше температур ликвидуса для различных сплавов будет не одинаков.

Условную жидкотекучесть определяют при одинаковом перегреве над температурой ликвидуса сплавов данной системы.

Истинную жидкотекучесть сплавов определяют при одинаковом перегреве их выше температуры нулевой жидкотекучести.

Нулевая жидкотекучесть наступает при температуре, лежащей между ликвидусом и солидусом сплава, при которой сплав теряет подвижность из-за наличия в нем определенного количества твердой фазы. Нулевая жидкотекучесть по данным Ю.А. Нехендзи наступает у чугуна при 30 % твердой фазы, а у стали — при 20 %.

Имеется определенная связь между жидкотекучестью и характером кристаллизации. Установлено, что при интенсивном развитии дендритной кристаллизации потеря жидкотекучести наступает даже при незначительном количестве твердой фазы. Сплавы, кристаллизующиеся в интервале температур, для которых характерны большое развитие двухфазной области и сильная разветвленность дендритов, обладают меньшей жидкотекучестью по сравнению с чистыми металлами, эвтектическими сплавами и химическими соединениями, кристаллизующимися при постоянной температуре.

Механизм остановки потока расплава в канале литейной формы

Рис. 4.15. Механизм остановки потока расплава в канале литейной формы:

а — перемерзание; б — образование пробки; в — объемная остановка

Взаимосвязь жидкотекучести с диаграммой состояния определяют главным образом через температурный интервал кристаллизации. Широкоинтервальные сплавы в большей степени склонны к объемной кристаллизации и образованию разветвленных ден- дритов, затрудняющих течение расплава. Максимальную жидко- текучесть наблюдают у чистых металлов и эвтектических сплавов, что объясняется последовательной кристаллизацией.

Механизм остановки потока жидкого металла в процессе затвердевания в пробе или в форме зависит от характера кристаллизации (объемная или последовательная), компактности или разветвленности первичных кристаллов и кинетики нарастания твердой корочки в каналах формы. Обычно различают три основных причины остановки движущегося потока металла:

  • 1) за счет затвердевания и перехвата в начале потока или в концевой части струи — перемерзание (рис. 4.15, а);
  • 2) из-за образования достаточно прочной корки затвердевшего металла на концевой части потока — пробки (рис. 4.15, б);
  • 3) из-за резкого повышения вязкости расплава, связанного с общим понижением температуры и выпадением такого количества твердой фазы (взвешенных кристаллов), при котором силы внутреннего трения становятся больше активных сил — объемная остановка (рис. 4.15, в).

Перемерзание характерно для узкоинтервальных сплавов с низкой теплопроводностью, затвердевающих в форме с высокой теплоаккумулирующей способностью.

Образование пробки происходит в сплавах с повышенной температурой плавления и большим интервалом кристаллизации, а также в большинстве эвтектических сплавов.

И, наконец, объемная остановка характерна для широкоинтервальных сплавов с высокой теплопроводностью, затвердевающих в форме с низкой теплоаккумулирующей способностью.

Рассмотрим закономерности, определяющие остановку струи металла в результате возникновения перечисленных причин. Прежде всего выясним влияние возрастания внутреннего трения. Мерой жидкотекучести является длина канала I, заполненного металлом при постоянном гидростатическом напоре.

Установим условия, при которых форма прутка длиной I, периметром сечения р и объемом V будет при заливке полностью заполнена металлом (недолива не будет). Рассмотрим упрощенно теплотехнические условия процесса, для чего напишем уравнение теплового баланса

где Qi =Ур11'(Гж0) — теплота перегрева жидкого металла; Q2 = Vp{L — теплота затвердевания при охлаждении до температуры нулевой жидкотекучести (между ликвидусом и солидусом); Q3 = аР(Гм-Гф)т — отведенная теплота за время t; F — поверхность охлаждения, F = lp; Тж — температура перегрева над точкой плавления; Т0 — температура, при которой прекращается течение металла (температура нулевой жидкости); Тм — средняя температура металла за период заливки; Гф - средняя температура формы; pi — плотность жидкого металла;^ — удельная теплоемкость жидкого металла; L — теплота кристаллизации, выделенная на единицу объема при охлаждении до Т0; а — средний коэффициент теплоотдачи с поверхности металла.

Следовательно, уравнение теплового баланса будет выражаться формулой

Определим I из этой формулы:

Так как V/x есть средняя объемная скорость vcp, то окончательно получим

Выведенная формула (4.30) устанавливает зависимость жидко- текучести металла от периметра формы, условий внешней теплоотдачи, от температуры перегрева, температуры формы и теплоты кристаллизации.

Итак, жидкотекучесть с повышением температуры перегрева, а также с увеличением теплоты кристаллизации повышается.

Теперь рассмотрим влияние на остановку струи металла твердой корки, образующейся на концевой части потока. Предыдущая формула дает качественное представление о влиянии различных факторов на жидкотекучесть. Напишем другую формулу, которая дополнительно характеризует это свойство жидкого металла и дает возможность приблизиться к теоретическому расчету показателя жидкотекучести.

Жидкотекучесть может быть представлена как произведение скорости течения v на время тт, в течение которого металл находится в состоянии, пригодном для заполнения формы,

Предполагается, что движение жидкого металла в канале прибора, служащего для определения жидкотекучести, прекращается в тот момент, когда слой затвердевшего металла, образующийся на поверхности концевой части потока, становится настолько механически прочным, что выдерживает гидростатический напор.

Расчет времени, в течение которого металл сохраняет способность к движению, Б.Б. Гуляев рекомендует производить по формуле

где Аи В — постоянные величины; R — радиус или половина толщины стенки, заполняемой металлом; АТ — перегрев металла над температурой ликвидуса, °С; Я — гидростатический напор.

Для среднеуглеродистой стали, заливаемой в песчаную форму, значения постоянных величин принимают следующими: А = 0,25, В = 0,1.

Несколько иной подход к решению этой задачи приведет к установлению более отчетливой зависимости жидкотекучести от различных факторов. Можно считать, что температура концевой части потока во время движения выравнивается полностью, и поэтому нарастание твердой корки начнется тогда, когда металл по всему сечению достигнет температуры ликвидуса Глик. Это дает возможность для концевого участка длиной 1 см (отсчитывается от конца потока) определить продолжительность отвода теплоты перегрева по формуле

где/— поперечное сечение потока; а — коэффициент теплоотдачи с боковой поверхности потока; с — теплоемкость жидкого металла; pi — плотность жидкого металла; Тж — температура заливки; Тф — начальная температура формы; р — периметр поперечного сечения потока.

Нарастание твердой корки для начального момента затвердевания можем принять х = kVx^, где к — коэффициент затвердевания; т" — время, отсчитываемое от начала затвердевания.

Тогда

где ап к — прочность поверхностной корки, кгс/мм2.

где

В результате формула для определения I примет следующий вид:

где 5^, — сумма коэффициентов местных сопротивлений на пути течения металла.

Большое влияние на остановку движения металла в форме оказывает затвердевание и перехват концевой части струи. Допустим, что от концевой части отливки, в результате достаточно интенсивного перемешивания, сначала отнимается теплота перегрева, а затем — теплота кристаллизации. При этом предполагается объемное затвердевание.

После того как образуется достаточно прочный скелет из твердых кристаллов, способный выдерживать гидростатический напор и не пропускать через себя жидкий расплав, течение металла прекращается. Возникает своеобразная пробка из полузатвердевшего металла.

Рассчитаем температуру элемента струи, находящегося на расстоянии z от ее конца (рис. 4.16). Уравнение теплового баланса для периода отвода теплоты перегрева будет иметь следующий вид:

где 011...Тф — температура рассматриваемого элемента, отсчитываемая от начальной температуры формы; dF— площадь поверхности охлаждения выделенного элемента; р{, с[ — соответственно плотность и удельная теплоемкость жидкого мталла.

Интегрирование этого уравнения дает

где — площадь сече-

Схема для расчета жидкотекучести

Рис. 4.16. Схема для расчета жидкотекучести

ния рассматриваемого потока металла; S — периметр поперечного сечения потока; С - постоянная интегрирования, определяемая из начальных условий.

При т = z/W (где W — скорость течения) рассматриваемый элемент находится в начале канала и температура его равна температуре заливки, т.е.

Таким образом, выведенное уравнение будет иметь вид:

Отсюда время охлаждения Tj до температуры солидуса (начало кристаллизации) 0СОЛ определится из выражения

Зная скорость течения W, определим общую длину струи zv которая получится к моменту хг. Для этого левую и правую части необходимо умножить на W. Таким образом,

Теперь напишем уравнение теплового баланса для периода затвердевания

где dF = Sdz — площадь поверхности охлаждения рассматриваемого элемента; pj — плотность твердого металла; — удельная теплота кристаллизации; dV = dfce4dz — объем закристаллизовавшегося металла; /сеч — площадь сечения, заполненная твердой фазой.

После подстановки значений dV и dF и интегрирования получим где

В том случае, когда имеем дело со сплавом, затвердевающим в интервале температур, температура кристаллизации принимается средней:

Постоянную интегрирования С определяем из начальных условий при tj = т,/сеч = 0.

Подставляя значение С, получим Fce4 = ?S(t-t1). Если предположить, что остановка произойдет при/^ = mFce4, где т — доля твердой фазы, при которой происходит остановка течения; Fce4 — площадь поперечного течения потока, то время х2 с момента заливки до момента остановки потока будет равно:

Отсюда длина потока к моменту т2 или жидкотекучесть или

Расчет в этом случае, как и в других, может быть доведен до конца, если известен коэффициент теплоотдачи а. Для песчаной формы значение а может быть вычислено по формуле

где Ь2 = V^2c2 Р2; с2> Рг — коэффициенты теплопроводности, теплоемкости и плотность материала формы; т — текущее время. Величину т определяют из соотношения т = z/W.

Таким образом, коэффициент теплоотдачи от поверхности рассматриваемого элементарного участка является величиной постоянной. Однако такой подход не дает возможности точно определить I, так как при z = 0 а = а>. Для доведения расчета до конца значение а должно быть найдено экспериментальным путем.

Наконец, выясним влияние на остановку струи металла затвердевания и перехвата в начале потока. Наибольшая продолжительность контакта металла с формой имеется именно в начале потока. Эта продолжительность равна продолжительности движения металла, т.е. продолжительности жизни потока. Любая другая часть формы меньше работает (отнимает тепла) в период движения металла, а поэтому течение и затвердевание в начале потока может происходить быстрее. Вывод закономерностей для этого случая остановки потока приведен А.А. Рыжиковым при рассмотрении течения металлических суспензий (аномальных жидких металлов).

Знание механизма остановки потока имеет большое практическое и теоретическое значение. Не вдаваясь в подробное объяснение, сформулируем наиболее предположительные условия проявления того или иного механизма остановки потока.

Остановка в результате выпадения твердой фазы по всему объему потока в реальных условиях практически не может осуществиться равномерно. Торможение и остановка течения в результате возникновения достаточно прочной корки на конце потока возникает в условиях интенсивного охлаждения этой части потока. В частности, это наблюдается при сифонной заливке деталей в открытые формы и особенно часто при литье труб, больших втулок и других подобных деталей. Механизм остановки в результате затвердевания и перехвата концевой части трубы наблюдается при малой интенсивности теплоотъема. Возникновение объемного затвердевания на концевой части потока возможно при заливке металла в песчаную форму с большой скоростью и высокой температурой в момент заливки. Что касается остановки при затвердевании и перехвате струи в начале потока, то такой механизм может появляться при заливке металла в металлические формы или при заливке в температурном интервале затвердевания в любые формы.

С жидкотекучестью сплавов связано и более широкое понятие заполняемости литейных форм. Именно заполняемость определяет комплекс факторов, относящихся как к литейному сплаву, так и к литейной форме, обеспечивающих получение отливок без дефектов типа недоливов, спаев и тому подобных.

Заполняемость возрастает с повышением температуры заливки и степени рафинирования металла. Повышение металлостатического напора, а тем более применение принудительного давления (литье под низким давлением, литье вакуумным всасыванием, литье центрифугированием, штамповка жидких сплавов, литье под давлением), улучшают заполняемость литейной формы.

Применяя выражение (4.32), величину заполняемости 3 можно определить, разделив величину жидкотекучести на площадь поперечного сечения канала:

На заполняемость литейных форм в значительной мере влияет материал формы. Чем больше теплопроводность и теплоемкость материала форм, тем хуже заполняемость. В этом отношении заполняемость металлических форм значительно хуже, чем песчаных, а сырых песчаных форм хуже, чем сухих. Температура формы является решающим фактором в обеспечении заполняемости отливок. Определено, что повышение температуры формы способствует улучшению заполняемости.

Контрольные вопросы

  • 1. Опишите особенности истечения жидкого металла из поворотного ковша.
  • 2. Опишите особенности истечения жидкого металла из стопорного ковша.
  • 3. Назовите закономерности течения металла по литниковой системе.
  • 4. Опишите особенности заливки сверху, снизу, в наклонную форму и через щелевую литниковую систему.
  • 5. Что такое жидкотекучесть? Назовите основные факторы, влияющие на жидкотекучесть.
  • 6. Перечислите виды жидкотекучести.
  • 7. Опишите пробы для определения жидкотекучести, что является мерой жидкотекучести?
  • 8. Опишите причины и механизм остановки движущегося потока жидкого металла.
 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >