3.3. Физическая модель процесса ЛГМ

Анализ процесса термодеструкции модели из пенополистирола под действием тепловой энергии металла дает возможность пред­ставить физическую модель процесса ЛГМ следующим образом. При заливке формы металлом между расплавом и моделью обра­зуется зазор 5 (рис. 3.12, а), через который происходит удаление продуктов термодеструкции модели.

Ji

Ryv

SMo

VY/

Делю

Г.—-

V

‘ мет

. Me"

Галл

..’; Форма ;

I v^

•СМодель^

С ‘

I А;

I в3

)

Фз

V

Мет

Металл

V <v

Мет м

:’ . Форма : . _. .. .’Форка Ii К… >К.

Рис. 3.12. Варианты физической модели процесса ЛГМ в зависимости от режима заливки формы металлом:

A) Pmct < Vumax; б) Fm6t < Vu^ ; в) VMeT < Vu^; г) VMn> Vm^

Процесс фазовых и химических превращений локализуется на поверхности модели а\ – а{ с образованием газовой, паровой, жидкой и твердой фаз.

В соответствии с принятой физической моделью скорость про­движения фронта превращения модели Vm будет зависеть от теп­лового потока через зазор 5. Этот поток определяется суммарным количеством тепла q, передаваемым от зеркала металла b\ – Ь\, включающим в себя теплопроводность (qu) продуктов термоде­струкции и теплоизлучение (</л) [11]:

Iu =?(‘-‘*);

Rplt

<?л = с

100

Too7

Где X — коэффициент теплопроводности парогазовой фазы, ккал/(м • ч); /’ и t" — температура поверхности металла и фронта

Превращения модели, 0C; С — приведенный коэффициент лучеис­пускания поверхности модели и металла; T и Т" — температура металла и фронта превращения модели, К.

Мет.

Зазор 5 определяется разностью скоростей продвижения фронта превращения модели Fm и подъема металла в полости литейной формы Fmct:

Скорость продвижения фронта превращения модели зависит от многих факторов, и прежде всего от суммарного теплового потока от зеркала металла, который, в свою очередь, зависит от темпера­туры и скорости подъема металла в полости формы, состава и ко­личества продуктов термодеструкции в зазоре 5, газопроницаемо­сти формы и ее теплофизических свойств.

Скорость подъема металла в полости формы определяется по уравнению

Где Fnm и Fmoji — соответственно поперечное сечение питателя и полости формы (модели); ц — коэффициент расхода; Hv — гид­ростатический напор металла; умет — массовая плотность металла; Рф — газовое давление в зазоре 5.

На рис. 3.12 представлены различные модификации физической модели процесса ЛГМ. Модель из пенополистирола обладает вы­соким термическим сопротивлением, которое определяет макси­мальную при данной температуре скорость Vm продвижения

Фронта превращения модели а\ — а\ под действием тепловой энер­гии металла. Если фактическую скорость подъема металла в по­лости формы обозначить через VMeT, то можно выделить три воз­можных режима заливки формы металлом: I — Fmct < Vm,11 —

^мет = V, III — FMeT > Vm. Третий режим предусматривает, что

Расчетная скорость подъема металла в полости формы больше, чем предельно возможная скорость термодеструкции модели.

Первый режим заливки формы металлом можно разбить на два периода. В первом периоде фактическая скорость подъема металла

Vuer меньше скорости полной газификации модели Vr. Он характе­ризуется отсутствием жидкой фазы в продуктах термодеструкции модели, т. к. она успевает разложиться на парогазообразную и твер­дую фазы на поверхности модели а\ – а{. Парогазовая фаза форми­рует в зазоре 5 определенное давление Рф в силу большего зазора 5, которое оказывает слабое сопротивление гидростатическому напору металла, поэтому расчетная скорость заливки формы близка по сво­ей величине к фактической (рис. 3.13 — I период). В этот период величина зазора 5 достигает максимальной величины. При дости­жении равенства скоростей подъема металла Vuer и газификации модели Vr начинается второй период, характерный началом накоп­ления жидкой фазы, количество которой растет по мере увеличения скорости заливки. Жидкая фаза, формируясь на поверхности модели а] – а\, под действием силы гравитации отрывается от модели и опускается на зеркало жидкого металла; при этом между металлом и жидкой фазой образуется парогазовая прослойка.

Под действием парогазовых сил, поверхностного натяжения и движения металла в форме частицы жидкой фазы, не успевшие дестру – гироватъ на поверхности жидкого металла до газовой, паровой и твер­дой фаз, перемещаются на границу металл—форма (рис. 3.12, б), где продолжают разлагаться. По мере сокращения разности скоростей Vmst – Vm^ количество жидкой фазы увеличивается как на зеркале

О 2 4 6 8 10 12 14 16

Расчетная скорость, см/с

Рис. 3.13. Зависимость фактической скорости заливки формы металлом от расчетной при ЛГМ

Металла, так и на границе металл—форма, при этом зазор 5 уменьшается, а давление Рф растет. Увеличиваются и удельная скорость, и объем газовыделения, т. к. происходит увеличение контакта жидкого металла с продуктами термодеструкции модели в связи с накоплением жидкой фазы на границе металл—форма. Однако газовое давление формируется лишь непосредственно в зазоре 5, поэтому оно хоть и растет, но оказывает слабое противо­давление гидростатическому напору металла. Характерной для данного режима является прямая зависимость скорости продвиже­ния фронта термодеструкции модели Vm от скорости подъема ме – taiuia VMct, при этом вследствие слабого противодействия газового давления в зазоре 5 фактическая скорость заливки Fmct незначи­тельно отличается от расчетной. Первый режим заливки можно назвать режимом кинетического равновесия.

При достижении фактической скоростью подъема металла в полости литейной формы FMeT максимально возможной скорости продвижения фронта термодеструкции модели V начинается

Второй режим заполнения формы, при котором происходит интен­сивное накопление жидкой фазы (рис. 3.12,6) вследствие того, что Vu^ на порядок выше скорости газификации модели Fr.

Это приводит к значительному росту удельного газовыделения, увеличению газового давления Рф в зазоре 5 при уменьшении са­мого зазора. Уменьшение зазора 5 приводит к повышению плотно­сти парогазовой фазы, что наряду с накоплением в зазоре жидкой фазы снижает тепловой поток от зеркала металла к фронту термо­деструкции модели. Это приводит, с одной стороны, к снижению скорости разрушения модели, с другой — к значительному росту газового давления Рф, которое создает противодавление гидроста­тическому напору металла (рис. 3.13 — II период), стабилизируя фактическую скорость подъема металла Vmct, независимо от увели­чения расчетной скорости.

При дальнейшем увеличении расчетной скорости металла Fmct скорость продвижения фронта термодеструкции модели достигает критической величины Fm, которая характеризуется не только

Кр

Теплофизическими константами полистирола, но и механической прочностью модели. Известно, что при давлении на модель 0,2 кг/см2 она деформируется при плотности пенополистирола 20-25 кг/м3 на 2 %. При заливке формы чугуном для получения такого давления достаточен гидростатический напор металла око­ло 300 мм, что имеет место при производстве мелкого и среднего по массе литья.

Увеличения скорости заливки металла в литейную форму мож­но достигнуть за счет увеличения площади сечения питателей или металлостатического напора. В нашем случае экспериментально установлено, что увеличение расчетной скорости за счет площади сечения питателей практически не приводит к росту фактической скорости подъема металла в полости литейной формы (рис. 3.13) и она стабилизируется на уровне 4,5-5,2 см/с. Так, увеличение рас­четной скорости при заливке формы чугуном с 5,85 до 12,5 см/с, т. е. на 220 %, увеличивает фактическую скорость только на 10 %.

Таким образом, если Vllim характеризует термическое сопро­тивление модели из пенополистирола, то Vu^ — термомеханиче­ское. На рис. 3.12, в представлена физическая модель процесса ЛГМ при достижении критической скорости термодеструкции мо­дели Vu^. Второй режим заливки формы металлом характеризует­ся постоянством скоростей термодеструкции модели и подъема металла в полости литейной формы, поэтому данный режим за­ливки можно назвать режимом термомеханического равновесия. Он известен еще как режим замещения. В практике чаще всего ис­пользуется при производстве отливок ЛГМ именно второй режим заливки форм металлом.

При достижении фактической скоростью металла Vmct значения критической скорости продвижения фронта термодеструкции мо­дели Vu^ начинается третий режим заливки формы, при котором

Происходят деформация модели в наиболее слабом месте на гра­нице модель—форма и охват модели расплавом с одной или со всех ее сторон (рис. 3.12, г). В результате охвата модели металл двигается по линии наименьшего сопротивления за счет тепловой усадки модели, в связи с чем фактическая скорость возрастает и практически достигает значения расчетной скорости (рис. 3.13 — III период). Охват модели нарушает газовый режим, давление Рф резко падает и не оказывает сопротивления движению металла. Однако такое заполнение формы металлом не сокращает время заливки, т. к. охват модели происходит раньше, чем успевает про­изойти ее термодеструкция. При полном охвате модели металлом жидкая фаза и часть модели окажутся внутри металла, заполнив­шего полость формы. Протекание процесса может иметь два про­должения. Разложение жидкой фазы и термодеструкция остатков модели в замкнутом объеме жидкого металла приведут к созданию высокого газового давления, под действием которого в случае со­хранения жидкого состояния металла произойдет его выброс через стояк. При образовании затвердевшей корочки металла на границе металл—форма и в питателе внутри будущей отливки образуется значительных размеров газовая раковина.

Однако полный охват модели металлом может и не произойти, и средняя часть модели по мере ее деструкции полностью запол­нится металлом. В этом случае жидкая фаза соберется в верхней части отливки, что приведет к образованию открытой глубокой раковины. Таким образом, данный режим заливки формы метал­лом характеризуется кинетической и тепловой нестабильностью, и он не должен иметь места как с точки зрения качества отливки, так и техники безопасности.

Однако скорость движения металла в узких горизонтальных се­чениях литниковой системы и горизонтально расположенных стен­ках модели отличается от его скорости движения по вертикали при сифонной заливке. На рис. 3.14 представлена схема движения ме­талла в горизонтальных стенках модели, или в каналах литниковой системы [15].

Рис. 3.14. Течение металла в горизонтальных каналах: Vyc — скорость термодеструкции модели; Рф — газовое давление продуктов термодеструкции модели; Vm — скорость усадки модели; Fmct — скорость течения металла под действием гидростатического напора уН

Исследования проводились при заливке формы из песка алю­миниевым сплавом АК9 при 750 0C. В качестве модели использо­вался пенополистирол массой 25 и 36 кг/м3. При заливке формы вакуумировались до 0,05 МПа. Обработка результатов экспери­ментов показала, что течение металла в горизонтальных стенках модели происходит под воздействием силы гидростатического давления металла уН, противодействия газового давления в зазоре Рф и гравитационной силы mg. При движении метала за счет теп­лоты расплава происходит первоначально усадка модели, и металл под действием указанных сил устремляется в образовавшийся за­зор между моделью и формой, т. е. течение металла происходит в режиме нижнего охвата модели (рис. 3.12, г). Модель по вертикали дестругирует с предельной скоростью 5,5 см/с. Движение металла в горизонтальном направлении определяется предельной скоро­стью усадки модели, которая равна 26,6 см/с и не зависит от плот­ности модели и величины вакуума. Изменение гидростатического давления металла от 70 до 250 см не влияло на скорость движения головного потока металла при сохранении его перегрева выше температуры ликвидуса. При дальнейшем движении металла ско­рость его в силу снижения температуры в головной части ниже температуры ликвидуса уменьшалась вплоть до остановки потока. Однако вакуумирование формы при 0,05 МПа увеличивало ее за­полняемость примерно в 2 раза по сравнению с заливкой формы без вакуума.