Какие металлы и сплавы обладают свойством жидкотекучести

Цель работы:

1. Экспериментальное определение зависимости жидкотекучести от температуры заливки сплава.

2. Расчет скорости течения металла в пробе.

3. Расчет коэффициента теплоотдачи от металла к форме.

4. Оценка возможностей течения сплава после начала кристаллизации.

1. МЕХАНИЗМ ОСТАНОВКИ ПОТОКА СПЛАВА В ФОРМЕ

Жидкотекучестью называют свойство металлов и сплавов, характеризующее их способность заполнять форму и воспроизводить в отливке реальный отпечаток ее поверхностей. В отличие от заполняемости, которая является комплексным технологическим свойством, жидкотекучесть определяется в стандартной форме и по стандартной методике и поэтому является свойством сплава. Количественно жидкотекучесть характеризуется длиной образца V, залитого в стандартной пробной форме. На рис. 1 Приведена принципиальная схема пробы на жидкотекучесть, состоящая из литниковой чаши (1), стояка (2) и рабочего канала (3).

Рисунок 1 – Схема технологической пробы на жидкотекучесть:

1 – чаша; 2 – стояк; 3 – канал

Жидкотекучесть зависит от большого числа физических и технологических параметров: температуры заливки сплава, его теплоемкости и скрытой теплоты затвердевания, характера первичной кристаллизации, вязкости и т.д.

Различают истинную и практическую жидкотекучести. Истинные жидкотекучести сплавов определяются при сравнении их величин в условиях одинакового перегрева сплава над температурами, при которых он теряет способность к течению (температуры нулевой жидкотекучести). Практическая жидкотекучесть определяется для разных сплавов при одинаковых температурах заливки.

Остановка потока в канале в зависимости от характера затвердевания сплава может быть вызвана разными причинами. При течении широкоинтервальных сплавов, затвердевающих объемно, кристаллы выпадают по всему объему вблизи головы потока. При этом вязкость сплава увеличивается, в силу возможного сцепления друг с другом лгавших кристаллов появляется сила трения покоя, которую необходимо преодолеть, чтобы сплав тёк, т.е. вел себя, как жидкость. Течение в этих условиях описывается законом, близким к реологическому закону тела Бингама:

,

где – приложенное к слою жидкости касательное напряжение;

– предельное касательное напряжение сдвига;

η – вязкость;

– поперечный градиент скорости.

Если то сплав ведет себя, как твердое тело, т.е. перестает течь. Величина зависит от относительного количества и формы твердых кристаллов, выпавших в сплаве. С ростом при понижении температуры головы потока увеличивается. Как только превзойдет действующее напряжение, течение прекратится. Нулевая жидкотекучесть отвечает некоторой критической доле твердой фазы , выпавшей к моменту дос­тижения температуры , лежащей между температурами солидуса и ликвидуса . Поэтому остановка потока широкоинтервальных сплавов происходит из-за образования «пробки» в головной части потока.

Для чистых металлов и сплавов с узким интервалом кристаллизации затвердевание начинается от стенок канала и постепенно распространяется в осевые области. Остановка потока происходит в результате уменьшения сечения жидкого потока нарастающими на стенках канала корочками твердого металла. При этом место перехвата при заливке сплава без перегрева находится у входа в канал и по мере увеличения температуры заливки удаляется от входа вглубь канала.

2. РАСЧЕТ ЖИДКОТЕКУЧЕСТИ СПЛАВОВ

При течении перегретого сплава в канале формы головная часть проходит следующие три этапа:

1. Этап, когда температура на границе головная часть потока – форма Tк выше температуры нулевой жидкотекучести T*. В конце этапа Tк= T*.

2. Этап, в течение которого Tк=T*, а температура в объеме головы потока выше температуры ликвидуса. В конце этапа голова потока теряет перегрев.

3. Головная часть потока течет без перегрева. В конце этапа поток останавливается по одному из рассмотренных выше механизмов.

Таким образом, длительность течения сплава до остановки τтеч определяется как сумма длительностей указанных этапов:

.

Тепловой и гидродинамический анализ приводит к следующим формулам для расчета жидкотекучести (см. материал лекций):

,

где Н — действующий напор (см. рис.1);

,

где – удельная теплоемкость и плотность жидкого сплава:

α – коэффициент теплоотдачи от сплава к форме, Вт/(см ·К);

R=S/П – приведенный размер канала, см;

S – площадь сечения канала, см ;

П – периметр сечения канала, см;

b1 и b2 – коэффициенты аккумуляции тепла сплавом и формой;

Т10 и Т20– температура заливки сплава и начальная температура формы, °С;

Тликв–температура ликвидуса, °С;

Т*н.ж– температура нулевой жидкотекучести, °С;

β – коэффициент, равный 1 для широкоинтервальных сплавов и 0,33 для узкоинтервальных сплавов;

,

где m – эмпирически определенный коэффициент;

ζc–коэффициент потерь напора.

3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВЕЛИЧИНЫ ЖИДКОТЕКУЧЕСТИ

ПО СПИРАЛЬНОЙ ПРОБЕ

3.1. Изготовление форм

В настоящей работе жидкотекучесть измеряется с помощью спиральной пробы, схема которой изображена на рис. 2. Формовка осуществляется в двух опоках по металлическим моделям. В нижней опоке располагается спираль с зумпфом, в верхней – выполняется стояк и литниковая чаша.

Для выявления влияния температуры на жидкотекучесть все формы в одном эксперименте должны изготовляться из одной смеси с одинаковой плотностью набивки. Для выводов газов из полости спирали делаются наколы. Из формы удаляют мусор, рабочая поверхность тщательно отделывается.

Количество изготовляемых форм задается руководителем практикума. При сборке формы следует контролировать правильность совмещения отверстий в литниковых каналах, а также не допускать больших зазоров по разъему во избежание заливов. Собранные формы накрываются грузом.

3.2. Заливка форм и замер величины жидкотекучести

Плавка металла осуществляется в печи под руководством преподавателя. Перед заливкой пробы отверстие стояка в чаше закрывается стопором, который вынимается после полного заполнения чаши. Контроль температуры металла производится в чаше термопарой погружения. Температуры заливки назначаются преподавателем.

Первая форма заливается наиболее перегретым металлом, следующие все более холодным. При заливке необходимо следить, чтобы чаша все время была заполнена полностью с целью стабилизации действующего напора Н.

После полного затвердевания металла форму выбивают, а охлажденную пробу очищают от смеси. По количеству выступов на спирали определяется ее длина, т.е. величина жидкотекучести Y. Полученные данные заносятся в табл. 1.

Таблица 1 – Влияние Т10 на величину жидкотекучести Y

Одновременно на пробах замеряются: размеры поперечного сечения спирального канала, диаметр стояка , длина стояка , расстояние от уровня зеркала металла в чаше до оси спирального канала Н.

4. ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ЭКСПЕРИМЕНТА И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

4.1. Расчет скорости течения в рабочем канале.

Расчет гидродинамического сопротивления системы может быть применительно к спиральной пробе, сделан по формуле:

,

где и – коэффициенты сопротивления на входе в стояк и повороте в спиральный канал;

и – площади поперечного сечения стояка и спирального канала, м2;

– длина стояка, м;

– средняя длина потока в спиральном канале в процессе его заполнения, м;

– эквивалентный гидравлический диаметр спирального канала, м;

– диаметр стояка, м;

— коэффициент гидравлического трения для стенок песчаной формы.

Принимаем по справочным данным [3]: ; ; . Площади и рассчитывают по размерам сечения соответствующих каналов. Величина ( -периметр сечения канала);

Скорость потока в спиральном канале рассчитывается по формуле:

.

По справочным данным задается коэффициент кинематической вязкости сплава (м2/с) и находится величина числа Рейнольдса , характеризующего режим течения, делается заключение о степени турбулентности потока. Полученные данные заносятся в табл. 2. В случае чистых металлов, эвтектических или узкоинтервальных сплавов рассчитанные величины и Re относятся только к первым двум периодам течения.

Таблица 2 – Гидравлические и теплофизические характеристики течения металла в пробе

4.2. Зависимость жидкотекучести от температуры заливки

Расчет величины α.

На основании данных табл. 1 по методу наименьших квадратов строится линейный график зависимости Y от

.

Данные по задаются преподавателем

Рисунок 3 – Зависимость жидкотекучести от температуры заливки

Для расчета коэффициента теплоотдачи на прямой выбираются 2 произвольные точки, и определяются соответствующие им и .

С учетом (1) легко найти, что

.

Отсюда находим

.

Вычисленные значения α заносятся в табл.2.

4.3. Определение коэффициента m

Если аппроксимировать график на рисунке 3 в область нулевого перегрева, то

.

Отсюда находим

.

Вычисленные значения m заносят в табл.2.

5. СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА

Отчет должен содержать следующие разделы:

1. Цель работы.

2. Перечень всех принятых обозначений с указанием размерностей параметров в СИ. Для величин, принимаемых по справочным данным, указываются их численные значения.

3. Характеристика изучаемого сплава и его положение на диаграмме состояния.

4. Описание методики эксперимента и схема формы для технологической пробы.

5. Результаты замеров жидкотекучести.

6. Расчет скорости течения в рабочем канале.

7. Расчет коэффициента теплоотдачи.

8. Зависимость жидкотекучести от температуры заливки. Расчет коэффициента m.

9. Использованная литература.

В отчете должны быть приведены все расчетные формулы.

6. ВОПРОСЫ ДЛЯ КОЛЛОКВИУМА

1. Понятия о жидкотекучести как технологическом свойстве литейных сплавов.

2. Практическая и истинная жидкотекучесть.

3. Основные факторы, влияющие на величину жидкотекучести.

4. Связь величины жидкотекучести с положением сплава на диаграмме состояния.

5. Причина остановки потока металла в каналах формы и их связь с характером затвердевания сплава.

6. Основные разновидности проб на жидкотекучесть.

7. Математические модели заполнения канала пробы для сплавов, кристаллизующихся при постоянной температуре и в интервале температур.

Основными литейными свойствами являются жидкотекучесть, усадка, склонность к трещинообразованию, склонность к газопогло- щению и ликвация.

Жидкотекучесть характеризует способность сплава течь по литейной форме, заполнять все ее полости и давать четкие очертания отливки. Для сравнительной оценки жидкотекучести сплавов используют различные пробы. Наиболее распространенной является спиральная проба: металл заливают в песчаную форму, выполненную в виде спирального канала сечением 0,56 см. Величину жидкотекучести определяют по длине отлитой спирали в миллиметрах.

Жидкотекучесть зависит от состава сплава, температуры его заливки и свойств формы. Хорошую жидкотекучесть имеют серые чугуны, оловянистые бронзы, силумины. Так как с повышением температуры сплава его жидкотекучесть увеличивается, то для тонкостенного литья температура сплава при заливке должна быть выше, чем для массивных отливок. На жидкотекучесть оказывает влияние теплопроводность формы. Сплав, залитый в сухую песчаную форму, будет иметь большую жидкотекучесть, чем при заливке в сырую форму.

Мерой скорости, с которой материал формы может поглощать теплоту расплавленного металла, является коэффициент аккумуляции теплоты bф.

Увеличение Ьф приводит к возрастанию теплоотвода с поверхности расплава, что сокращает время затвердевания металла и тем самым снижает жидкотекучесть. Так, для чугунной формы bф на порядок выше, чем для сырой песчаной, — 14000 и 1150 Вт с0,5/(м2 К) соответственно. Жидкотекучесть (/ж) можно оценить по теплофизическим свойствам металла и условиям литья:

где /ж — длина спирали (контрольной части литой пробы), характеризующая жидкотекучесть; р — плотность сплава; с — теплоемкость сплава; L — удельная теплота кристаллизации (до момента нулевой жидкотекучести); /ж — температура перегрева металла (над температурой ликвидуса); tQ — температура нулевой жидкотекучести; tu и /ф — температура металла и формы соответственно; А — коэффициент, зависящий от условий литья. Из выражения (22.6) видно, что с повышением температуры литейной формы /ф жидкотекучесть возрастает. Поэтому для повышения жидкотекучести расплава керамические и металлические литейные формы часто подогревают.

Характер течения расплава (ламинарный или турбулентный) должен оказывать влияние на жидкотекучесть. В канале диаметром D он оценивается значением числа Рейнольдса (Re):

где v — скорость потока, м/с; г — кинематическая вязкость металла, м2/с. При Re > Re^„ течение жидкости становится неустойчивым, в потоке возникают завихрения, приводящие к увеличению гидравлического сопротивления течению и, как следствие, снижению жид- котекучести. Расчеты показывают, что турбулентное течение чугуна наступает при скорости в 1,5 раза большей, чем у стали.

Высокое качество поверхности отливки при литье под давлением, точность ее геометрических параметров и четкость оформления рельефа обеспечиваются гидродинамическим давлением (/*ф) расплава на стенку формы, возникающим в момент окончания движения расплава:

где рм — плотность расплава; уф — скорость потока в форме.

Жидкотекучесть существенно зависит от склонности металла к окислению, сплошности и прочности оксидной пленки. При заливке формы оксидные пленки оказывают сопротивление течению расплава и замедляют заполнение им формы. В случае плавки и заливки металла в вакууме или защитной среде жидкотекучесть непрерывно возрастает с повышением температуры перегрева (/п) расплава (рис. 22.5, кривая /). При заливке на воздухе (рис. 22.5, кривая 2) температурная зависимость жидкотекучести имеет максимум (/ ),

Рис. 22.5. Влияние температуры расплава на его жидкотекучесть: 7 — вакуум; 2 — воздух соответствующий температуре, превышение которой вызывает активное окисление расплава с образованием оксидных пленок. В целях повышения жидкотекучести увеличивают температуру заливки металла или подогревают литейную форму.

Усадка — свойство сплава уменьшаться в объеме при затвердевании и охлаждении. Характеризуется изменением объемных и линейных размеров отливки, в соответствии с чем различают усадку линейную и объемную. Ее величину выражают обычно в процентах. С явлением усадки связаны основные технологические трудности производства фасонных отливок из-за образования в них усадочных раковин, пористости и трещин.

Усадочная раковина в отливках образуется в результате уменьшения объема жидкого металла при кристаллизации. При затвердевании объем металла уменьшается, а питания отливки жидким металлом не происходит, то есть не поступает дополнительной порции металла, которая компенсировала бы усадку. В результате в отливке образуется усадочная раковина. Усадочная пористость в отливках является следствием рассмотренных усадочных явлений, происходящих главным образом при затвердевании сплавов в интервале кристаллизации.

Различают линейную елин и объемную еу усадки, %:

где
— размеры и объемы формы и отливки соответственно.

Полная объемная усадка еуполн складывается из усадки сплава в жидком состоянии е^, при затвердевании еуз и в твердом состоянии
. Возникновение наружной усадки, усадочных раковин и пористости (скопление мелких пустот, заполненных газами) в отливке является результатом и проявлением объемной усадки металла.

Главное условие предупреждения образования в отливках усадочных раковин и пористости — непрерывный подвод жидкого металла к кристаллизующемуся сплаву. Для этого применяют прибыли (см. рис. 23.5) и обеспечивают направленное затвердевание отливки — снизу вверх в направлении к прибыли. Жидкий металл из прибыли питает отливку, а усадочная раковина образуется в прибыли, которую затем отделяют от отливки.

Свободному уменьшению размеров отливки оказывают сопротивление части формы и стержни (механическое торможение усадки).

Из-за затрудненной усадки — механического, термического или совместного торможения — в отливке возникают внутренние напряженин. Эти напряжения могут быть значительными и вызывать искривление (коробление) отливки. Если величина напряжений превысит предел прочности сплава при данной температуре, то в отливке возникнут трещины.

Для предупреждения трещин следует применять форму и стержни, обладающие хорошей податливостью, и обеспечивать равномерное охлаждение отливки в форме.

Склонность сплавов поглощать газы приводит к образованию в отливках газовой пористости и раковин. Газы попадают в сплав с шихтой из атмосферы и растворяются в нем. При понижении температуры растворимость газов в жидком металле уменьшается, и они выделяются из металла. Образующиеся в расплаве газовые пузырьки стремятся всплыть на поверхность. Однако понижение температуры приводит к увеличению вязкости сплава, что затрудняет всплывание пузырьков. Газовые пузырьки, оставшиеся в сплаве, образуют газовую пористость.

Литейные формы и стержни должны иметь минимальную газо- творную способность и хорошую газопроницаемость.

Ликвацией называют неоднородность химического состава сплава в различных частях отливки. Ликвацию разделяют на дендритную и зональную. Дендритная ликвация характеризуется химической неоднородностью внутри зерна (дендрита), а при зональной ликвации неоднородность обнаруживается в отдельных частях объема отливки. Наиболее опасной для большинства сплавов является зональная ликвация, так как она не устраняется термической обработкой. При производстве отливок ликвация определяется двумя факторами: химическим составом сплава и условиями кристаллизации. Зональная ликвация усиливается при увеличении объема отливки и медленном затвердевании. Ликвация снижает прочностные свойства и общую работоспособность детали.

• 1. Какова физическая природа кристаллизации металлов?
• 2. Каковы достоинства и недостатки изготовления заготовок с помощью литья?
• 3. Какими показателями определяются литейные свойства металлов и сплавов?
• 4. От каких факторов зависит жидкотекучесть металла?
• 5. Какие последствия вызывает усадка металла при литье?
• 6. Какие явления могут приводить к пористости и химической неоднородности в отливках?