ДЛЯ УЛУЧШЕНИЯ ПРОЦЕССА ЗАТВЕРДЕВАНИЯ ОТЛИВОК

Для улучшения направленности затвердевания отливок и захолаживания их массивных узлов и утолщений часто используют металлические наружные и внутренние холодильники.

Наружный холодильник (рис.12, поз.3), расположенный у плиты 2 (рис.12,а) ускоряет затвердевание металла в центре отливки и улучшает питание жидким расплавом из прибылей 1 оставшейся части отливки. Наружный холодильник 3 у массивного прилива отливки 4 (рис.12,б) ускоряет его затвердевание и способствует одновременному или ускоренному затвердеванию части отливки с утолщением. При расчете наружных холодильников учитывают, что охлаждающая способность металла значительно больше, чем у формовочных материалов. Так, например, песчано-глинистой формы и чугунного холодильника удельная теплоемкость в кДж / (кг×К) соответственно равна 1,09 и 0,585, а теплопроводность в Вт/(м×К)×10^-3 соответственно 0,755 и 46,50.

При выборе размеров наружных холодильников часто пользуются эмпирическими зависимостями между его толщиной и толщиной захолаживаемой стенки отливки (с утолщением или без него). Некоторые авторы приводят расчетные формулы для определения массы или объема холодильников. Так, например, А.Ветишка полагает, что отвод теплоты наружным холодильником от отливки состоит из следующих частей расхода захолаживаемой части или узла отливки:

а) теплоты перегрева Q_пер жидкого расплава над линией ликвидус;

б) теплоты затвердевания жидкого расплава;

в) теплоты охлаждения затвердевшего металла.

Из уравнения теплового баланса процесса получено следующего уравнение для расчета массы наружного холодильника:

(36)

где Q_y - масса захолаживаемой части отливки, кг;

С_ж, С_Т - удельная теплоемкость жидкого и твердого металла, кДж/(кг×К);

l - скрытая теплота фазового перехода (плавления или затвердевания) металла отливки, кДж/кг;

t_з, t_л, t_о - температуры, ^оС соответственно, заливки жидкого расплава в форму, ликвидуса сплава и начальная для холодильника;

Dt - интервал температуры охлаждения затвердевшего металла отливки, ^оС;

t_3/2 - принятая температура нагрева холодильника во время затвердевания отливки.

По данным различных авторов оптимальная толщина наружного холодильника не должна превышать 1/2 - 2/3 толщины охлаждаемого узла. В расчетах также необходимо учесть, что если наружный холодильник находится на пути заливки расплава в форму, то он нагревается потоком жидкости и эффективность захолаживающего действия его частично теряется.

Внутренние холодильники могут частично или полностью расплавляется жидким металлом отливки. При расчете массы полностью расплавляемого внутреннего холодильника составляют уравнение теплового баланса процесса - количество тепла для охлаждения жидкого металла массивного узла отливки до температуры начала его затвердевания равно количеству тепла для нагрева холодильника и его расплавления. Из этого условия получено уравнение

.

(37)

Если внутренний холодильник не расплавляемый, то при расчете его массы считают, что теплота охлаждения жидкого металла массивного узла отливки или всей отливки и теплота его затвердевания равны количеству теплоты для нагрева холодильника до температуры его солидуса. Из этих условий получают следующее расчетное уравнение:

.

(38)

В формулах (37) и (38) обозначения величин те же, что и в формуле (36).

Предположим, что в отливку (или в ее узел) цилиндрический формы вставлен по центру нерасплавляемый цилиндрический холодильник (рис.13). Высота отливки и холодильника - h. Найдем соотношение между диаметрами нерасплавляемого холодильника d_x и отливки d_o. Учтем, что массы холодильника Q_x и узла Q_у выражаются следующим образом:

;	(39)
	(40)

где r - плотность металла, г/см³ (принята приближенно равной для жидкого и твердого состояния).

Подставляя (39) и (40) в формулу (38), получим

(41)

После преобразований из (41) имеем

(42)

Из выражения (42) после необходимых сокращений получим

.

(43)

Следует заметить, что формулы (36), (37), (38) и (43) являются приблизительными, так как они не могут учесть всего многообразия форм тепловых узлов, отливок и конфигурации холодильников, а также других технологических и физических факторов (приближенность величин теплоемкостей и теплот плавления-затвердевания металла, а также его температур ликвидус и солидус, различие между принятой расчетной температурой заливки расплава в форму и фактической температурой жидкого металла и т.п.).

Задача 25. В форме отливают квадратный брус сечением l´l см² с двумя прибылями (рис. 12, а).

А. Для улучшения действия прибылей в центре бруса снизу в форме закладывают наружный холодильник длиной d, см, т.е. с площадью прилегания холодильника и бруса l´d. Захолаживаемым узлом отливки считать часть бруса, прилегающего к холодильнику с площадью основания l´d и высотой l. Найти массу захолаживаемого узла Q_у1, массу наружного холодильника Q_x1 и его высоту b₁.

Б. Длинный прямоугольный брус сечением l´l (рис. 12,б) снизу имеет прилив с размером основания l´1,5d и высотой 0,8l. Для ускоренного затвердевания прилива в форму снизу закладывают наружный холодильник. Найти массу захолаживаемого узла Q_y1, массу наружного холодильника Q_x2 и его высоту h.

В расчетах использовать формулу (36), плотность металла принять равной 7 г/см³.

Таблица 25

Многовариантные задания к задаче 25 для определения

массы Q_x и высоты наружного холодильника b.

Ва- ри-ант	Сечение бруса l´l	d, см	Сж,	СТ,	l,	tз, оС	tл, оС	Dt, оС	to, оС
1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
1	5х5	10	0,700	0,600	220	1575	1520	20	10
2	12,5х12,5	25	0,755	0,650	250	1570	1530	33	12
3	5,5х5,5	11	0,740	0,630	280	1600	1510	50	14
4	13,0х13,0	26	0,710	0,615	223	1600	1535	21	16
5	6,0х6,0	12	0,760	0,655	253	1600	1530	36	18
6	13,5х13,5	27	0,745	0,640	275	1575	1525	10	20
7	6,5х6,5	13	0,715	0,610	226	1570	1520	22	22
8	14,0х14,0	28	0,700	0,660	256	1550	1515	11	24
9	7,0х7,0	14	0,750	0,650	270	1540	1510	23	26
10	14,5х14,5	29	0,720	0,615	229	1550	1505	12	28
11	7,5х7,5	15	0,705	0,665	259	1560	1500	24	30
12	15,0х15,0	30	0,755	0,660	265	1535	1495	39	32
13	8,0х8,0	16	0,725	0,620	232	1560	1490	13	34
14	15,5х15,5	31	0,710	0,670	262	1545	1485	25	36
15	8,5х8,5	17	0,760	0,670	260	1570	1480	14	38
16	16,0х16,0	32	0,730	0,625	235	1555	1485	26	11
17	9,0х9,0	18	0,755	0,675	265	1550	1490	15	13

Пример решения варианта 1

А. а) находим массу захолаживаемого узла отливки

Q_y = l ´ l ´ d ´ r = 5 ´ 5 ´ 10 ´ 7 = 1750 г = 1,75 кг;

б) по формуле (36) определяем массу холодильника

кг

в) высоту холодильника находим из условия

l × d × b₁× r = Q_x или 5 × 10 b₁ × 7 = 1020,

см.

Б. а) рассчитываем массу захолаживаемого узла отливки

Q_y = l × 1,5 × 0,8 × r = 5×(1,5 × 10) × (0,8 × 5) × 7 = 5 × 15 × 4 × 7 = 2100 г = 2,1 кг;

б) по формуле (35) находим массу холодильника, при этом учитываем, что в правой части уравнения, кроме Q_y, все величины остаются прежним

кг;

в) высоту холодильника находим из условия

l × 1,5 d × b₂ × r = Q_x или 5 × (1,5 × 10)× b₂ × 7 = 1230,

см.

Ответы: А. Q_y = 1,75 кг; Q_x = 1,02 кг; b₁ = 2,9 см.

Б. Q_y­ = 2,1 кг; Q_x = 1,23 кг; b₂ = 2,35 см.

Задача 26. Тепловые узлы отливки часто имеют форму шара. Для теплового узла диаметра D вычислить по формуле (37) массу расплавляемого холодильника Q_x, предварительно вычислив массу узла Q_y. Найти отношение j = (Q_x/Q_y) × 100%.

Плотность металла принять r = 7 г/см³.

Таблица 26

Многовариантные задания к задаче 26 для определения

массы внутреннего расплавляемого холодильника

Ва-ри-ант	d, см	Сж,	СТ,	l,	tз, оС	tл, оС	to, оС
1	2	3	4	5	6	7	8
1	20,0	0,700	0,600	220	1575	1520	10
2	16,0	0,740	0,635	241	1560	1515	23
3	60,0	0,725	0,600	271	1570	1520	25
4	11,0	0,720	0,620	245	1560	1525	27
5	17,0	0,745	0,640	244	1565	1530	29
6	65,0	0,730	7,610	274	1585	1535	31
7	11,5	0,730	0,630	240	1580	1530	33
8	78,0	0,750	0,645	247	1590	1525	35
9	27,0	0,735	0,620	277	1590	1520	37
10	42,0	0,740	0,640	230	1600	1535	39
11	90,5	0,710	0,610	250	1550	1510	21
12	25,0	0,755	0,650	250	1570	1530	12
13	7,5	0,740	0,630	280	1600	1510	14
14	12,5	0,710	0,615	223	1600	1535	16
15	30,0	0,760	0,655	253	1600	1530	18
1	2	3	4	5	6	7	8
16	8,0	0,745	0,640	275	1575	1525	20
17	13,0	0,715	0,610	226	1570	1520	22
18	35,0	0,700	0,660	256	1550	1515	24
19	8,5	0,750	0,650	270	1540	1510	26
20	13,5	0,720	0,615	229	1550	1505	28
21	40,0	0,705	0,665	259	1560	1500	30
22	9,0	0,755	0,660	265	1535	1495	32
23	14,0	0,725	0,620	232	1560	1490	34
24	45,0	0,710	0,670	262	1545	1485	36
25	95,0	0,760	0,670	260	1570	1480	38
26	85,0	0,730	0,625	235	1555	1485	11
27	50,0	0,715	0,675	265	1550	1490	13
28	100,0	0,700	0,680	255	1545	1495	15
29	88,0	0,735	0,630	238	1530	1500	17
30	55,0	0,720	0,680	266	1540	1505	19

Пример решения варианта 1

а) находим массу захолаживаемого узла отливки

г = 29,2 кг;

б) по формуле (37) определяем массу расплавляемого холодильника

в) рассчитываем отношение

.

Ответы: Q_x = 1,0 кг; Q_y = 29,2 кг; j = 3,4 %.

Задача 27. По формуле (42) вычислить минимальный диаметр d_x нерасплавляемого холодильника, вставляемого в центр цилиндрической отливки диаметра d_o (рис. 3). Найти отношение j = (Q_x / Q_y) × 100%, где Q_x - масса холодильника, а Q_y - масса узла отливки.

Таблица 27

Многовариантные задания к задаче 27 для определения диаметра внутреннего нерасплавляемого холодильника в цилиндрической отливке

Ва-ри-ант	dо, мм	Сж,	СТ,	l,	tз, оС	tл, оС	to, оС
1	2	3	4	5	6	7	8
1	150	0,700	0,600	220	1575	1520	10
2	45	0,755	0,650	250	1570	1530	12
3	105	0,740	0,630	280	1600	1510	14
4	125	0,710	0,615	223	1600	1535	16
5	50	0,760	0,655	253	1600	1530	18
6	110	0,745	0,640	275	1575	1525	20
7	135	0,715	0,610	226	1570	1520	22
8	55	0,700	0,660	256	1550	1515	24
9	115	0,750	0,650	270	1540	1510	26
10	145	0,720	0,615	290	1550	1505	28
11	85	0,710	0,610	250	1550	1510	21
12	135	0,740	0,635	241	1560	1515	23
13	30	0,725	0,600	271	1570	1520	25
14	90	0,720	0,620	245	1560	1525	27
15	140	0,745	0,640	244	1565	1530	29
16	35	0,730	0,610	274	1585	1535	31
17	95	0,730	0,630	240	1580	1530	33
18	145	0,750	0,645	247	1590	1525	35
19	40	0,735	0,620	277	1590	1520	37
20	100	0,740	0,640	230	1600	1535	39
21	10	0,705	0,665	259	1560	1500	30
22	60	0,755	0,660	265	1535	1495	32
23	120	0,725	0,620	232	1560	1490	34
24	15	0,710	0,670	262	1545	1485	36
25	70	0,760	0,670	260	1570	1480	38
26	125	0,730	0,625	235	1555	1485	11
1	2	3	4	5	6	7	8
27	20	0,715	0,675	265	1550	1490	13
28	80	0,700	0,680	255	1545	1495	15
29	130	0,735	0,630	238	1530	1500	17
30	25	0,720	0,680	268	1540	1505	19

Пример решения варианта 1

а) вычислим следующее выражение в формуле (42):

б) определим d_x из формулы (42):

мм;

в) найдем отношение ; в этом выражении выразим отношение  через соответствующие площади сечений отливки и холодильника, т.е.

.

Ответы: d_x = 71 мм; j = 30,5%.

НАПРЯЖЕНИЯ В ОТЛИВКАХ

После затвердевания металла отливка редко охлаждается равномерно: одни ее части охлаждаются быстрее других. Пусть имеется отливка (рис. 14), у которой часть 1 массивная и часть 2 - более тонкая. Очевидно, после заливки расплава в форму более тонкая часть отливки 2 по сравнению с частью 1 остывает быстрее. Усадка металла, т.е. уменьшение размеров отливки, происходит с разной скоростью. Усадка металла в более холодной части 2 тормозит более нагретая часть 1. И наоборот, усадку более нагретой части 1 тормозит более холодная часть 2. Остывание части 2 происходит быстрее части 1; поэтому более поздняя усадка части 1 отливки вызывает сжимающие напряжения в более холодной части 2 отливки (условно эти напряжения считаются отрицательными и обозначаются - ). Более холодная часть отливки 2 тормозит усадку более горячей части 1 и вызывает в ней растягивающие напряжения (условно + ).

Величину напряжений в металле можно вычислить по формулам:

;	(43)
	(44)

где Е - модуль упругости металла, МРа;

f₁, f₂ - площади сечений 1-й и 2-й частей отливок, см²;

e_l - линейный коэффициент усадки металла;

t₁-t₂ - разность температур между горячей и холодной частями отливки.

Задача 28. По заданным величинам Е, e_l, отношению f₁/f₂ и разности температур t₁-t₂ вычислить по формулам (43) и (44) напряжения  и  в более горячей и более холодной частях отливки.

Таблица 28

Многовариантные задания к задаче 28 для определения

напряжений в неравномерно охлаждающейся отливке

Ва-ри-ант	Материал отливки	el,×10-6	t1, oC	t2, oC		E×106, Мра
1	2	3	4	5	6	7
1	чугун	0,85	620	400	3,5	0,08
2	сталь	1,85	650	100	1,5	0,18
3	чугун	0,90	600	370	3,3	0,09
1	2	3	4	5	6	7
4	сталь	1,80	640	110	1,6	0,19
5	Чугун	0,95	580	340	3,1	0,10
6	сталь	1,75	630	120	1,7	0,20
7	Чугун	1,00	560	310	2,9	0,11
8	сталь	1,70	620	130	1,8	0,21
9	Чугун	1,05	540	280	2,7	0,12
10	сталь	1,65	610	140	1,9	0,22
11	Чугун	1,10	520	250	2,5	0,13
12	сталь	1,60	600	150	2,0	0,23
13	чугун	1,15	500	220	2,3	0,14
14	сталь	1,55	590	160	2,1	0,24
15	чугун	1,20	610	290	2,1	0,15
16	сталь	1,50	580	170	2,2	0,25
17	чугун	1,25	590	260	1,9	0,16
18	сталь	1,45	570	180	2,3	0,26
19	чугун	1,30	570	230	1,7	0,17
20	сталь	1,40	560	190	2,4	0,27
21	чугун.	1,35	550	200	1,5	0,08
22	сталь	1,35	550	200	2,5	0,28
23	чугун	1,25	530	170	1,3	0,09
24	сталь	1,30	540	210	2,6	0,24
25	чугун	1,15	520	140	1,7	0,10
26	сталь	1,25	530	220	2,7	0,22
27	Чугун	1,05	510	110	2,1	0,12
26	сталь	1,20	520	230	2,8	0,23
29	Чугун	0,95	490	70	2,5	0,14
30	сталь	1,15	510	240	2,9	0,28

Пример решения варианта 1

а) в формулах (43) и (44) найдем отношения  и .

Обозначим  и ,

 и

Выразим искомое отношение через К:

,	(45)
;	(46)

б) используя формулы (43) и (45), найдем :

в) используя формулы (44) и (46), определим

Ответы: =3,34 МРа; =11,8 МРа.

РИСУНКИ К ЗАДАЧАМ

Рис.1. Простейшая схема расположения отливки (О), прибыли (П) и усадочной раковины (УР)

Рис.2. Расположение жидкого расплава отливки (О), прибыли (П) в песчано-глинистой форме (Ф) перед началом затвердевания расплава

h_в - высота опускания расплава при охлаждении от температуры конца заливки его в форму до температуры начала его затвердевания (внешняя раковина).

Рис. 3. Профиль вертикального сечения усадочной раковины цилиндрической прибыли по уравнению (3) А.А.Рыжикова

x, y - координаты одной из точек поверхности раковины

Рис. 4. Схема расположения отливок (О) и прибылей (П) при расчете глубины усадочной раковины:

а - круглые; б - прямоугольные вытянутые отливки; в, г - то же, отливки в виде плит.

Рис. 5. Схема расположения четырех местных прибылей (П) на литом кольце (К).

Рис. 6. Схема расположения двух местных прибылей (П) на цилиндрической отливке (О).

Рис. 7. Схема расположения прибыли (П) на цилиндрической отливке (О).

Рис.8. Схема расположения в литейной форме отливки (О), прибыли (П), патрона газообразной смеси (ГС) и усадочной раковины (Р): сразу после заливки расплава (а) и после окончания затвердевания металла (б).

Рис.9. Две стадии питания из прибыли центральной части отливки расплавом: а - свободное и б - затрудненное.

Рис.10. Схема расположения напуска (заштриховано) на отливке вертикальной плиты с начальной шириной.

Рис. 11. Рассчитанная толщина плиты с напуском  в зависимости от расстояния L от нижней торцевой поверхности.

Рис. 12. Схема расположения наружных холодильников в центре бруса (а), у массивного прилива отливки (б).

Рис. 13. Схема расположения цилиндрического холодильника (Х) в центре цилиндрической отливки (О).

Рис. 14. Схема отливки с частями различной площади поперечного сечения - большей (1) и меньшей (2).

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Гуляев Б.Б. Теория литейных процессов. - Л.: Машиностроение, 1976. - 214 с.

2. Теоретические основы литейной технологии / А. Ветишка, И. Брадек, И. Мацашек, С. Словак. - Киев: Вища шк., 1981. - 318 с.

3. Попов А.Д. Расчет прибылей для отливок, - М.: Машгиз, 1957. - 54 с.

4. Рыбакин С.В., Гридин А.Д. Отливка стальных деталей с закрытыми прибылями под газовым давлением. - Харьков: Металлургиздат, 1956. - 56 с.

СОДЕРЖАНИЕ

.

* Задача иллюстрирует положение А.А.Байкова о “планктоне” неметаллических включений в металле

* Форма: П-г - песчано-глинистая; Чуг - чугунная.

* В - сторона квадрата плиты;

** d - толщина плиты;

*** А - эмпирический коэффициент в формуле (29).

* обозначения величин e_v и h см. в задаче 12.

Примечания:

* при решении задачи учесть, что смесь СаСо₃+С используется не полностью и коэффициент использования смеси определяется эмпирическим уравнением

А=1/(1,9-0,0015 G_o);

** В таблице G_o, G_п - масса отливки и прибыли в % - процент объема усадочной раковины

от суммы объемов отливки V_o и прибыли V_п;

Р - избыточное давление в раковине отливки;

t - температура газа в раковине отливки, ^оС.