Литье по газифицируемым моделям | Металлолом — Part 4

Формирование поверхности отливки, ее геометрической точно­сти и физико-механических свойств при ЛГМ происходит в ре­зультате сложных процессов тепломассопереноса в системе мо­дель—металл—форма. Наличие газифицируемой модели в форме, которая дестругируется под действием расплавленного металла и постепенно замещается им, меняет сложившиеся представления о процессе формирования отливки, т. к. продукты термической де­струкции непосредственно взаимодействуют с металлом как в про­цессе заливки формы, так и при кристаллизации и последующем охлаждении отливки.

Определяющим фактором процесса формирования отливки яв­ляется газовый режим литейной формы, который следует разделить на два периода. Первый период определяется временем заливки формы металлом. Он характеризуется термодеструкцией пенополи­стирола в узком зазоре между металлом и моделью с образованием жидкой, парогазообразной и твердой фаз. Парогазообразная фаза формирует давление в зазоре, которое, с одной стороны, оказывает противодавление гидростатическому напору металла, с другой — определяет скорость фильтрации парогазовой фазы во внутренние слои формы. Содержащиеся в газовой фазе углерод и водород непо­средственно взаимодействуют с жидким металлом и в зависимости от термодинамических условий системы газ—металл растворяются в расплаве, оказывая влияние на структуру и механические свойства отливки. Жидкая фаза, перемещаясь на границу металл—форма, создает замкнутые зоны вторичной термодеструкции жидкой фазы с образованием парогазовой и твердой фаз, которые оказывают воз­действие на формирование поверхности отливки и на свойства ме­талла в прилегающих слоях. Твердая фаза отфильтровывается в по­верхностных слоях формы и становится источником диффузионного насыщения поверхностного слоя отливок из низкоуглеродистых сплавов. Второй период газового режима начинается после заливки формы металлом; он характеризуется продолжением процесса тер­модеструкции жидкой фазы на границе металл—форма и сконден­сированной паровой фазы в близлежащих слоях формы по мере ее прогрева тепловым потоком от охлаждающейся отливки. В этот пе­риод протекают процессы, оказывающие непосредственное влияние на формирование поверхности отливки.

4.1. Заполняемость литейной формы металлом

При ЛГМ ухудшается заполняемость формы при ее заливке ме­таллом (рис. 4.1), что объясняется двумя факторами: частичным снятием теплоты перегрева расплава, которая расходуется на термо­деструкцию модели, и противодавлением газообразных продуктов термодеструкции в зазоре 5 гидростатическому напору металла. За­полняемость — это комплекс технологических факторов, характери­зующих заполнение формы при ее заливке металлом; ее не следует отождествлять с жидкотекучестью. Заполняемость формы возрастает при ее вакуумировании (рис. 4.2) [25].

Ч

О §

А

1480 1530 1580 1630 Температура, 0C

1000

800

600

400

200

900 1000 1100 1200 Температура, 0C

Со

Рис. 4.1. Заполняемость форм при заливке стали (а) и бронзы (б): 1 — формы с газифицируемой моделью; 2 — полые формы

I 800 г

300 –

200 —————————– 1————— 1————— 1————— 1————– J

0 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05

Величина разрежения, МПа

Рис. 4.2. Заполняемость формы при заливке алюминиевых сплавов (температура 750 0C)

Заполняемость литейной формы определяется уравнением [23]

(4Л)

Где JI — жидкотекучесть; R — гидравлический радиус; t — пере­грев металла над точкой ликвидуса; А и В — постоянные для дан­ного сплава; H — расчетный гидростатический напор; Z^/ — сум­ма местных сопротивлений истечению металла.

F I

L = z V^oV^y

Уравнение (4.1) указывает на связь между жидкотекучестью сплава и характерным размером отливки. Поэтому жидкотекучесть является составной частью технологического комплекса, опреде­ляющего заполняемость формы металлом. При ЛГМ заполняе – мость литейной формы снижается из-за потери тепловой энергии металла на термодеструкциию модели. Используя уравнение Г. Ф. Баландина для определения заполняемости узких каналов ме­таллом с учетом потери тепла на термодеструкцию, можно опре­делить величину этих потерь, найдя величину заполняемости узко­го канала формы по уравнению (4.1) [25, 26]:

^iPi (V3^-V0J-^P1+(1-\|/)X

(4.2)

X(v —V )

V л оп /

^C1P1-WC2P2 | Zp2 Л

Т + 1

Где / — длина залитой пробы, м; Rq — приведенный радиус отлив­ки, м; Uq — средняя скорость течения расплава, м/с; Ъъ — коэффициент тепловой аккумуляции формы, Дж/(м2 • К • с/г); с\ — удельная теплоемкость расплава, Дж/(кг • К); pi — плотность рас­плава, кг/м3; узал — избыточная температура заливки, К; Von — из­быточная температура остановки потока, К; q — удельная теплота термодеструкции модели, Дж/кг; \|/ — относительное количество твердой фазы в затвердевшем сплаве; Vji — избыточная температу­ра ликвидуса, К; т — коэффициент затвердевания; C2 — удельная теплоемкость металла отливки, Дж/(кг • К); р2 — плотность отлив­ки, кг/м3; L — удельная теплота кристаллизации, Дж/(кг • К); Ve — избыточная температура солидуса, К.

В результате экспериментов по заливке алюминиевого сплава А9 по уравнению (4.2) была получена величина удельной теплоты термодеструкции пенополистирола при температуре заливаемого в форму металла 750 0C, равная 7924,7 Дж/кг [25].

(4.3)

Удельную теплоту термодеструкции модели можно определить, учитывая снижение теплоты перегрева металла, по уравнению [5]

Q= VyuzC(Tn Тк),

Где V — объем отливки, м3; уМе — плотность металла, кг/м3; с’ — теплоемкость металла, Дж/(кг • К); Tn и Tk — температуры пере­грева и кристаллизации сплава, К.

Если Q\ = VyMec'(T[ – Тк) — теплота перегрева металла к концу заливки в полую форму, a Q2= VyMec'(T2 – Тк) — в форму с гази­фицируемой моделью при идентичных условиях заливки, то раз­ность AQ = Q\ – Q2 (Дж/(кг 0C)) будет характеризовать теплоту термодеструкции модели:

AQ=VyucC(Tl-T2). (4.4)

В табл. 4.1 представлены изменения температуры металла при его одновременной заливке в форму, в которой находились две полости (одна из них — с газифицируемой моделью). На основа­нии этих изменений с помощью уравнения (4.4) получены значе­ния тепловых потерь на термодеструкцию модели для различных сплавов [5, 21, 24].

Таблица 4.1

Теплота термодеструкции модели из пенополистирола

Вид сплава

Температура заливки, 0C

Разница температур T1 – T2, 0C

Удельная теплота термодеструкции, кДж/кг

Бронза

1100

31

9200

Чугун

1300

35

10 118

Сталь

1550

55

И 131

Как следует из табл. 4.1, с повышением температуры заливае­мого металла увеличиваются тепловые потери на термодеструк­цию модели, что соответствует теории термической диссоциации полимерных материалов [7]. Рекомендации по температуре залив­ки форм с газифицируемой моделью чугуном и сталью при плот­ности пенополистирола 25 кг/м3 с учетом снятия перегрева метал­ла при ЛГМ приведены в табл. 4.2.

Таблица 4.2

Рекомендуемые температуры заливки форм при ЛГМ, 0C

Толщина стенки, мм

Серый чугун

Среднеуглеродистая сталь

До 5

1400-1500

5-10

1375-1465

1595-1635

10-20

1355-1435

1595-1605

Толщина стенки, мм

Серый чугун

Среднеуглеродистая сталь

20-50

1335-1414

1595-1600

50-100

1265-1375

1575-1585

100-200

1235-1335

1565-1585

Более 200

1215-1315

1555-1585

Таблица 4.3

Рекомендуемые температуры заливки медных сплавов, 0C

Медные сплавы

Средняя толщина стенок отливки, мм

10

20

40

Бр. ОЦСНЗ-7-5-1

1120-1170

1100-1150

1100-1120

Бр. АМц 90-2

1130-1180

1100-1150

1100-1130

ЛК 80-ЗЛ

980-1030

950-1000

950-980

Для алюминиевых сплавов рекомендуется устанавливать темпе­ратуру заливки формы в пределах 730-780 °С, для магниевых — 750-800 0C. Вторым фактором, влияющим на заполняемость литей­ной формы, является газовое давление Рф продуктов термодеструк­ции модели в зоне взаимодействия модели с металлом (рис. 4.3).

Рис. 4.3. Заполняемость формы с газифицируемой моделью при сифонной заливке в зависимости от скорости подъема металла в полости формы при ее газопроницаемости:

1 — 125 см4/(г • мин);

В табл. 4.3 приведены рекомендуемые при ЛГМ температуры заливки форм медными сплавами.

Vue, мм/с

2 — 350 см4/(г • мин)

Скорость подъема металла FMe (м/с) в полости литейной формы определяется уравнением:

(4.5)

Где Fm F0т — соответственно площадь сечения питателя и отливки в направлении движения металла, м; ц, — коэффициент расхода; Hv — расчетный гидростатический напор металла, м; — газовое давление в зазоре между моделью и металлом, Па; уме — плот­ность металла, кг/м3.

Из уравнения (4.5) следует, что чем выше давление Рф, тем ни­же скорость подъема металла в полости формы и тем больше вре­мени потребуется на ее заполнение. Увеличение времени заливки формы увеличивает тепловые потери металла на теплообмен с ма­териалом формы и вторичную термодеструкцию продуктов пиро­лиза модели, что дополнительно влияет на заполняемость формы металлом. Совокупное действие вышеперечисленных факторов может привести к остановке потока металла и незаполняемости формы. На рис. 4.3 представлены зависимости заполняемости формы чугуном при температуре заливки 1623 0C от суммарной газопроницаемости формы и скорости подъема металла, которые показывают, что при скорости подъема металла 10 мм/с и суммар­ной газопроницаемости K^ = 125 ед. (форма с покрытием) полость формы оказалась незаполненной (кривая 1). С увеличением скоро­сти заливки до 40 мм/с полость формы была заполнена металлом. Снижение скорости заливки происходит как за счет снижения га­зопроницаемости формы (покрытия), так и за счет увеличения плотности модели из пенополистирола. В том и другом случаях возрастает противодавление Рф в зазоре 8, что и приводит к ухуд­шению заполняемости формы. Применение вакуума при заливке формы металлом значительно увеличивает заполняемость формы металлом, что видно из рис. 4.4.

0Д5

U

S

I ОД S

§ 0,15 S * s –

S

Л

Од

О

0,05 О

0,12 0,17 0,22 0,27 0,32 0,37 0,42 0,47 0,52 0,57 0,62 0,67 0,72 Заполняемость формы, м

Рис. 4.4. Заполняемость узких каналов литейной формы

При вакуумировании: 1 — без вакуума; 2 — вакуум 0,02 МПа; 3 — вакуум 0,04 МПа; 4 — вакуум 0,05 МПа

0,3

Математическая модель процесса литья по газифицируемым моделям основана на физической модели взаимодействия расплав­ленного металла с моделью из пенополистирола в полости литей­ной формы (рис. 3.12, а-в) и устанавливает зависимость между теплофизическими свойствами модели, металла и формы и техно­логическими параметрами процесса литья. При выводе математи­ческой модели были сделаны следующие допущения [10]:

• литейная форма является однородным изотропным пористым телом;

• фильтрация парогазовой фазы осуществляется только через зазор 5 между зеркалом металла и фронтом термодеструкции модели при их взаимном перемещении;

• в форме имеет место одномерная параллельная ламинарная фильтрация парогазовой фазы;

• газопроницаемость формы остается постоянной в процессе ее заливки металлом;

• температурное поле формы остается постоянным в период фильтрации парогазовой фазы и ее температура равна темпе­ратуре формы;

• температура парогазовой фазы в зазоре 5 остается постоян­ной в процессе заливки формы металлом;

• между расчетной и фактической скоростями подъема метал­ла в полости формы соблюдается линейная зависимость (рис. 3.13 — I период).

Массовое приращение парогазовой фазы (в дальнейшем — газа) dG\ в объеме зазора 5 за промежуток времени dx опреде­ляется разностью между количеством газа, образующегося в процессе термодеструкции модели dGM за время dx, и количест­вом газа, которое удаляется из зазора 5 за то же самое время:

Объемное приращение газа в зазоре 5 согласно уравнению (3.28) можно записать так:

Где ун — объемная масса газа при нормальных условиях (P = = 0,1 МПа и T= 15 0C).

Количество газа, которое удаляется из зазора 5 за время dx, опре­деляется уравнением

Где уг — объемная масса газа; Vr — скорость фильтрации газа; П — периметр модели в зоне взаимодействия ее с металлом.

Скорость фильтрации газа Vr определяется уравнением Дарси:

CdPea

К=–*-, (3.31)

Л Qy

Где Рф — давление газа в зазоре 8; с — проницаемость формы в единицах Дарси; ц — кинематическая вязкость газа; у — направ­ление фильтрации газа, перпендикулярное к границе форма— зазор 5.

Плотность газа определяется по формуле

Y =~Л~, (3.32)

V

Где 7ф — температура формы, К; R — газовая постоянная. С учетом (3.31) и (3.32) уравнение (3.30) примет вид:

(3.33)

В условиях одномерной фильтрации газа в литейной форме можно принять, что

ДР2 P2-P2

S – = ——————————————— -, (3.34)

Ду I

Где I — длина пути фильтрации; Pq — начальное давление газа в форме, которое равно атмосферному давлению.

После подстановки (3.34) в (3.33) уравнение выхода газа из объема в зазоре 5 запишется:

DG 21ЪсЪи{р1-Р2)

Где P11= 1,0 кг/см2 — нормальное давление.

Объем газа, который выделяется при термодеструкции модели за время dx, определяется уравнением

DQM = maFMx m~ldx. (3.36)

С учетом (3.35) и (3.36) уравнение (3.29) примет окончательный вид:

, 273с8П(р2 – PQ ) dQl = VmaFuXm’1 У } ]о

Г.—-

V

‘ мет

. Me»

Галл

..’; Форма ;

I v^ 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 (

Scroll to Top