Закономерности охлаждения отливок в литейных формах

Для качественного анализа закономерностей теплоотвода в литейную форму достаточно выделить в ней прямолинейный элемент – стержень, площадь поперечного сечения которого равна единице. Торец стержня контактирует с расплавленным металлом и находится при постоянной или уменьшающейся температуре.

При постоянных температуре расплавленного металла q_с и начальной температуре стержня

решение для температуры стержня имеет вид

(9.1)

Зная распределение температуры в любой момент времени, на основании закона Фурье найдем плотность теплового потока (рис. 9.4):

(9.2)

Рис. 9.4. Распределение температуры в стержне в моменты времени t₁ и t₂
при постоянной температуре на торце (а) и зависимости плотности теплового потока q
и количества тепла Q от времени для торца стержня x = 0 (б)

Из формулы (9.2) следует, что в начальный период времени (при t®0) плотность теплового потока очень велика, но с течением времени уменьшается. Количество тепла Q, поступившее через торец стержня площадью F при его нагреве, с течением времени возрастает пропорционально корню квадратному из времени:

(9.3)

Охлаждение отливок в литейных формах после заливки происходит от температуры заливки до достижения рациональной температуры выбивки.

По закономерностям изменения температуры время остывания может быть разбито на три отрезка.

В течение первого отрезка времени расплав остывает от температуры заливки металла до температуры начала кристаллизации металла (затвердевания), т. е. до температуры плавления.

В течение второго отрезка времени происходит затвердевание отливки (кристаллизация). При этом температура отливки остается примерно постоянной и равной температуре кристаллизации (плавления).

В течение третьего отрезка времени отливка охлаждается от температуры кристаллизации (плавления) до температуры извлечения отливки из литейной формы (рис. 9.5).

Рис. 9.5. Схема к расчету времени t₁ остывания расплава
до температуры плавления и времени затвердевания отливки

Поскольку температура заливки относительно немного превышает температуру плавления при оценке количества тепла, отведенного за время t₁ в литейную форму, можно считать, что температура на поверхности формы (т. е. на торце стержня) в течение этого интервала времени постоянна и равна средней температуре:

.

В течение первого интервала времени t₁ через поверхность формы площадью F от расплавленного металла объемом V при температуре заливки металла q_З и начальной температуре стержня q₀ будет отведено количество тепла Q₁:

(9.4)

Из формулы (9.4) найдем величину интервала времени t₁, необходимую для остывания расплава до температуры плавления:

. (9.5)

В течение интервала времени температура поверхности литейной формы ниже средней температуры , принятой для первого отрезка времени, на величину . Поэтому действительное температурное поле в условно выделенном стержне, расположенном перпендикулярно поверхности литейной формы, представим в виде суммы температурных полей для стержня, на торце которого поддерживается постоянная температура:

, (9.6)

где

При этом количество тепла, отведенное в литейную форму, равно:

(9.7)

Температура на поверхности литейной формы будет постоянной, пока не будет отведено количество тепла, необходимое для затвердевания (кристаллизации) отливки (рис. 9.6).

Рис. 9.6. Зависимость средней температуры расплава (отливки) от времени
при толщине стенки отливки 10 мм (формовочная смесь сырая с добавлением опилок:
ω_Ф = 0,14·10^-6 м²/с, С_VФ = 0,51 МДж/(м3·К), литейный сплав – сталь: С_V = 6 МДж/(м³·К))

В связи с большим рассматриваемым интервалом времени остывания отливки на рисунке 9.7, а принята логарифмическая шкала по оси времени. Использование логарифмической шкалы искажает действительную форму зависимостей температуры и отведенного количества теплоты от времени, но позволяет более подробно представить процессы, протекающие в начальный период времени, а также рассмотреть больший период времени.

При равномерной шкале времени зависимость количества отведенного тепла от времени – выпуклая (рис. 9.7, б).

Общее количество теплоты, которое должно быть отведено до полного остывания отливки до температуры выбивки отливки из формы, равно:

. (9.8)

Экстраполируя зависимость количества отведенной теплоты от времени до пересечения с уровнем количества теплоты, которое необходимо отвести до остывания отливки до температуры выбивки, можно примерно оценить время остывания отливки. Аналогичный вывод можно сделать и по графику изменения температуры (рис. 9.7).

а)
б)

Рис. 9.7. Закономерности отвода теплоты от заливки расплава до начала остывания
отливки после кристаллизации расплава: а – логарифмическая шкала времени;
б – равномерная шкала времени

При расчетах принято, что литейная форма достаточна велика по размерам и что температура на внешней поверхности формы существенно не отличается от температуры окружающей среды.

Небольшие тонкостенные отливки охлаждаются в форме несколько минут, а толстостенные, крупные (массой 50–60 т) – в течение нескольких суток и даже недель. Поэтому для сокращения времени охлаждения массивных отливок используют различные методы принудительного охлаждения: обдувают воздухом, в формы при формовке укладывают змеевики, по которым пропускают воздух или воду.

На время остывания и количество отведенного тепла существенное влияние оказывают температуры заливки, плавления и выбивки и свойства литейного сплава: теплоемкость, плотность, удельная теплота плавления.

Важным свойством литейных сплавов является усадка. Жидкий металл имеет больший объем, чем закристаллизовавшийся. Уменьшение объема металла в процессе кристаллизации и остывания слитка, а также неравномерность его остывания и затвердевания приводят к образованию пустот, называемых усадочными раковинами. Различают усадку линейную и объемную.

Линейную усадку определяют как отношение разности линейных размеров литейной формы и отливки к линейному размеру отливки (в %) при температуре 20 °С:

(9.9)

Для серого чугуна линейная усадка равна 0,9–1,3 %, для алюминиевых сплавов 0,9–1,5 %, для медных сплавов 1,4–2,3 %, для углеродистых сталей
2–2,4 %.

Объемная усадка определяется как отношение разности объемов полости литейной формы и отливки к объему отливки (в %):

(9.10)

Рассматривая усадку элементарного объема в виде куба со стороной Dl, получим:

(9.11)

,

т. е. объемная усадка численно втрое больше, чем линейная.

Усадочные раковины образуются в средней верхней части отливки (или слитка). В таких местах иногда размещают дополнительный объем – прибыль, которую впоследствии удаляют вместе с усадочной раковиной.

Неравномерность теплоотвода во времени и по объему отливки является одной из наиболее важных закономерностей, определяющих производительность литейного производства и качество отливок.

Распространенность способа литья в песчаные формы связана с его относительно невысокой себестоимостью, сравнительно небольшими затратами на изготовление оснастки и приспособлений, возможностью изготовления отливок из различных сплавов различной массы (от мелких до очень крупных, до нескольких десятков тонн).

Наряду со многими достоинствами, литье в песчаные формы обладает и рядом существенных недостатков. Технологический процесс изготовления отливок весьма трудоемкий: необходимо приготовить формовочные и стержневые смеси, изготовить формы и стержни, собрать их и подготовить к заливке, выдержать отливки в медленно охлаждающейся песчаной форме, выбить их и очистить от формовочной и стержневой смеси, переработать бывшие в употреблении смеси для их повторного использования. Параллельно этому производят подготовку шихтовых материалов, готовят расплав металла для его заливки в литейную форму.

Расплавленный металл при его заливке оказывает тепловое, силовое и химическое воздействие на песчаную форму, что отражается на точности и качестве отливок, служит причиной образования на их поверхности труднообрабатываемой литейной корки, пригара.

Для преодоления этих недостатков были разработаны, изобретены различные специальные способы литья.