книги / Теория литейных процессов

-о

Продолжительность облучения расплава бронзы НЭМИ, мин

Рис. 5.21. Влияние продолжительности облучения жидкой фазы НЭМИ на кристаллизационные и физико-механические свойства бронзы (6,0 % Sn)

Таким образом, некоторое снижение твердости облученных чугунов обусловлено уменьшением микротвердости металлической основы и измельчением графитных включений пластинчатой формы.

Плотность d и теплопроводность Я облученных серых чугунов изменяются по экстремальной зависимости от продолжительности облучения расплава НЭМИ: максимальные значения теплопроводности наблюдались при облучении расплава в течение 10 мин. При этом теплопроводность возрастала почти в 2,0 раза (рис. 5.22, е).

Плотность чугуна при 20 °С, наоборот, имела минимальное значение при 10-минутном облучении расплава НЭМИ. Причина повышения теплопроводности пока не установлена. Такой характер изменения теплопроводности наблюдался и в металлических сплавах - меди и алюминии - и их сплавах - бронзе и силумине.

Уменьшение плотности при облучении расплава НЭМИ, по-видимому, обусловлено повышением растворимости компонентов (С или Si) в аустените под воздействием на расплав НЭМИ, как это было показано в оловянной бронзе (Си + 6,0 мае. % Sn): с увеличением продолжительности облучения расплава содержание олова в меди (твердом растворе а) существенно возрастало до 10 мин облучения бронзы в жидком состоянии.

Относительная износостойкость Кп уменьшается при облучении расплавов НЭМИ в течение 10-15 мин, что обусловлено снижением микротвердости металлической основы. Резкое повышение относительной износостойкости при облучении расплава НЭМИ в течение 20 мин связано, как сказано выше, с кристаллизацией ледебуритной эвтектики сотового строения (рис. 5.22, г-д).

Коррозионностойкость серого чугуна изменяется от продолжительности облучения расплава также по экстремальной зависимости с ее максимумом при продолжительностях облучения 10-15 мин (уменьшение показателей коррозии AmIS и /Гоб.ш» где Ат - изменение массы образца, S - площадь образца; К0б.н2 - объемный показатель коррозии).

Коррозионностойкость серого чугуна повышается по мере измельчения графита и уменьшения его количества при однородной структуре матрицы (например, в феррите), а также при уменьшении содержания Si, S, Р.

Наблюдаемое повышение коррозионностойкости серого чугуна в интервале продолжительности 10-15 мин обусловлено измельчением и уменьшением количества графитной фазы пластинчатой формы.

Вопросы для самоконтроля знаний

1.Что такое металлургическая наследственность?

2.В чем заключается первый закон термодинамики? Внутренняя энергия.

3.Изложите второй закон термодинамики. Энтропия, свободная энергия. Свободная энтальпия. Химическое сродство.

4.Изложите третий закон термодинамики. Энтропия.

5.Опишите механизм плавления и легирования металлов и сплавов.

6.Опишите закономерности растворения легирующих элементов в жидких металлах.

7.Что такое испарение металла при плавке металлических сплавов и давление насыщенного пара металлов?

8.Опишите классификацию и дайте общую характеристику шихтовых материалов: чушковых чугунов и их маркировку; ферросплавов и их маркировку; цветных первичных металлов и их маркировку;

лома и отходов цветных металлов и сплавов и их маркировку.

9.Какие виды топлива Вы знаете? Дайте характеристику топлива: литейного

каменноугольного кокса, термоантрацита, мазута, природного газа.

10.Какие флюсы Вы знаете?

11.Охаракгеризуйте аномальный характер изменения физических свойств расплавов

и его связь с литейными и механическими характеристиками в алюминиевых сплавах.

12.Как влияют температурные режимы плавки и легирования алюминия и его сплавов на их механические характеристики?

13.Охарактеризуйте аномальный характер изменения физических свойств жидких чугунов.

14.Как изменяется прочность сг„ от температуры перегрева и легирования чугунов?

15.Как влияет термоскоростная обработка расплавов на структурообразование и механические свойства отливок из алюминиевых сплавов и чугунов?

16.Охарактеризуйте способы обработки расплавов методами внешнего воздействия: вакуумированием; плавкой нейтральными газами;

дегазацией путем вибрации, воздействия ультразвуком, электрическим током.

17.Как влияет облучение металлов и их сплавов в жидком состоянии наносекундными электромагнитными импульсами на их физические свойства, процессы кристаллизации и структурообразования, физико-механические и эксплуатационные характеристики?

Библиографический список

1. Емельянов А. А. О структурных превращениях в жидком алюминии / А. А.

Емельянов, Ю. А. Базин, Е. А. Климентьев // Изв. вузов. Черная металлургия. - 1985.

- № 5.

2.Знаменский Л. Г. Электроимпульсные нанотехнологии в литейных процессах / Л. Г. Знаменский [и др.]. - Челябинск : ЧГУ, 2003.

3.Кисунько В. 3. Термоскоростное модифицирование расплавов / В. 3. Кисунько [и др.] // Изв. АН СССР. Металлы. - 1981. - № 1.

4.Муравьев В. И. Изготовление литых заготовок в авиастроении / В. И. Муравьев [и др.]. - Владивосток : Дальнаука, 2003.

5.Никитин В. И. Наследственность в литых сплавах / В. И. Никитин. - Самара Изд-во СГТУ, 1995.

6.Попель П. С. Фазовый переход или распад метастабильных агрегатов? / П. С. Попель // Изв. вузов. Черная металлургия. - 1985. - № 5.

7.Пригунова А. Г. Структура и свойства расплавов, обработанных электрическим током / А. Г. Пригунова, В. П. Гольчак, В. М. Замятин // Тез. науч. сообщений VI Всесоюзн. конф. по расплавам. - Свердловск : Ин-т металлургии УЦ АН СССР, 1986.

8.Ри Хоссн. Влияние температурных режимов плавки, модифицирующих и легирующих элементов на свойства чугунов в жидком и твердом состояниях / Хосен Ри. - Владивосток : ДВО РАН; Хабаровск : Изд-во ХГТУ, 1997.

ГЛАВА 6. ГИДРОДИНАМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ (ПРОЦЕСС ЗАПОЛНЕНИЯ ФОРМЫ ЖИДКИМ МЕТАЛЛОМ)

Заполнение литейной формы является следующей технологической операцией после изготовления литейной формы и приготовления расплава. Заполнение формы заливкой почти всегда осуществляется через литниковую систему.

Применение литниковой системы вызвано следующими обстоятельствами:

при заливке необходимо избегать попадания в полость литейной формы частиц шлака, флюсов, оксидов, имеющихся в расплаве;

при заливке не следует допускать образования новых частиц оксидов и возникновения газовых пузырей в расплаве из-за захвата атмосферного воздуха;

необходимо учитывать, что заливка неравномерно разогревает литейную форму, вследствие этого меняются местные условия теплоотвода, направленность и интенсивность затвердевания отдельных участков отливки. По этим причинам в отливке могут возникать усадочные пороки (раковины, пористость), трещины и т. п.

В связи с этим к заполнению литейной формы нельзя подходить как к чисто гидравлическому процессу и учитывать только то, что заполнение должно быть завершено за время, пока расплав не потерял способность течь. Заливку нельзя проводить с излишне большой скоростью, так как при этом оказывается невозможным удалить имеющиеся загрязнения и предотвратить появление новых. Существует также оптимальное время заполнения формы, при котором создаются наиболее благоприятные условия для последующего затвердевания и получения плотной, здоровой отливки.

Таким образом, заполнение литейной формы расплавом представляет собой очень сложную и важную для получения качественной отливки технологическую операцию, определяемую разнообразными физико­ химическими явлениями, описываемыми гидростатикой и гидродинамикой.

6.1.Законы гидростатики Закон Паскаля. Пусть жидкость находится в неподвижном сосуде, и на

еесвободную поверхность действует внешнее давление Рвн* Необходимо определить, каково будет давление Р в этой жидкости на произвольной глубине h (рис. 6.1 ).

Мысленно выделим вертикальный цилиндр с малой площадью основания

/и высотой И. Составим уравнение сил, действующих по вертикальной оси. На

основание цилиндра сверху действует сила внешнего давления F = Рлн f и сила тяжести столба жидкости G = pghj\ где р - плотность жидкости; g - земное ускорение.

Рис. 6.1. Схема к выводу основного закона гидростатики

Снизу на основание цилиндра действует сила R, равная произведению R = Pf. Все остальные силы, определяемые давлением, действуют в горизонтальном направлении на боковую поверхность цилиндра и в уравнение

Следовательно, давление внутри жидкости равно сумме внешнего давления, оказываемого на жидкость, и давления самой жидкости, определяемого произведением плотности на земное ускорение и на глубину рассматриваемой точки от свободной поверхности. Давление в жидкости действует одинаково по всем направлениям.

Из уравнения (6.2) вытекает закон Паскаля: внешнее давление, приложенное к жидкости, передается равномерно и одинаково по всем направлениям и во все точки жидкости.

Проявление основного закона гидростатики можно видеть при заливке литейных форм с горизонтальным разъемом (рис. 6.2).

Рис. 6.2. Схема сил, действующих на верхнюю половину заполненной расплавом литейной формы

Взаполненной литейной форме, предназначенной для получения отливки

ввиде плиты, площадью S сила, создаваемая давлением расплава, будет равна

О= PS. Вкладом литниковой системы в данном случае пренебрегаем ввиду его малости.

Если сила Q превысит массу верхней полуформы G, то неизбежно эта полуформа будет поднята расплавом, и он вытечет по разъему наружу. Чтобы этого не происходило, формы перед заливкой либо специально нагружают, либо полуформы скрепляют между собой скобами. Масса груза и усилия скрепления задают с определенным запасом, так как при заполнении подъемная сила достигает значительно большей величины из-за так называемого гидравлического удара, возникающего в момент окончания заполнения полости формы. Поскольку подъемная сила прямо зависит от плотности расплава, то при работе с алюминиевыми или магниевыми сплавами эта сила оказывается малой и необходимость в нагружении или скреплении полуформ обычно отпадает.

Закон Архимеда. Гидростатическое давление жидкости, которое действует на всякое погруженное в жидкость тело в направлении, обратном действию силы тяжести, стремится вытолкнуть его на поверхность.

Найдем силу, действующую на тело произвольной формы ABCDEF, погруженное в жидкость (рис. 6.3). Спроектируем это тело на объемную поверхность жидкости, получим поверхность, которая проходит по контуру тела ALDK. Выделим объем жидкости KAFEDMN, который действует на тело сверху с силой, равной Q\ = KAFEDMN. Здесь рж - плотность жидкости; g - земное ускорение. Снизу на тело действует сила Q2yравная Q2= p,Kg VABCDMN»

Рис. 6 .3 . С хем а к вы воду зак он а А р х и м ед а

Равнодействующая этих двух сил

выталкивающая сила, равная по величине массе вытесненной жидкости. Это есть закон Архимеда.

Если архимедова сила Q больше массы самого тела, то оно всплывает на поверхность жидкости. Это определяется соотношением плотности жидкости Р* и тела рг.

Если р>к > рг, то тело всплывает, а если рж < Рг - тонет в жидкости.

В литейном производстве с действием закона Архимеда приходится считаться при использовании стержней - специальных частей формы, выполняющих внутренние полости в отливке. Материал стержней имеет плотность 1,6-1,8 г/см\ и поэтому только в магниевых сплавах, обладающих плотностью не более 1,6 г/см3, стержни не будут всплывать во время заливки. При получении отливок из чугунов, сталей, медных и алюминиевых сплавов всегда принимают специальные меры против возможного всплывания стержней.

При конструкции литейной формы, изображенной на рис. 6.4, а, теоретически на стержень не действует выталкивающая сила, поскольку он не охвачен жидкостью с нижней стороны. Однако практически всегда есть вероятность подтекания расплава под опорную часть стержня, так называемый знак, и тогда всплывание возможно. Поэтому на практике подобные стержни всегда укрепляют с помощью большого знака (опорной части) либо с помощью специальных жеребеек. При конструкции, изображенной на рис. 6.4, 6, произойдет всплывание стержня, если архимедова сила, определяемая объемом выступов 1 на стержне, окажется больше массы всего стержня.

Рис. 6 .4 . К онструкция литей ной форм ы , при которой всплы вание стержня в

расплаве теоретически н евозм ож но (а ) и вероятно ( б)

6.2.Законы гидродинамики

Закон постоянства расхода. Металлические расплавы обладают плотностью, не зависящей от давления. Поэтому при течении расплава по полностью заполненному каналу, площадь поперечного сечения которого

на участке канала с соответствующим сечением. Поскольку плотность расплава при всех условиях остается неизменной, то и массовый расход т = pg тоже постоянен.

Закон Бернулли. При движении жидкости в закрытом канале (рис. 6.5) в направлении от сечения 1 к сечению 2 происходят взаимные переходы кинетической и потенциальной энергий частиц жидкости. При этом в силу закона сохранения сумма обоих видов энергии остается постоянной.

Рис. 6 .5 . С хем а, поясняю щ ая закон Д . Б ернулли

Потенциальная энергия определяется высотой Z над произвольно выбранным уровнем, где Z = 0, и давлением Р. Кинетическая энергия определяется линейной скоростью движения жидкости V. Количественно закон постоянства энергии в рассматриваемом потоке выражается равенством

В приведенной форме уравнение Д. Бернулли характеризует поведение идеальной жидкости, имеющей нулевую вязкость и не испытывающей трения о