Процесс затвердевания отливки

Процесс затвердевания отливки складывается из отвода теплоты перегрева и непосредственно из затвердевания металла.

Большую часть теплоты перегрева металл теряет в камере прессования и при движении в литниковой системе, а также в полости формы.

Однако при заливке цинковых или магниевых сплавов на машинах с горячей камерой прессования можно сохранить теплоту перегрева даже в конпе заполнения формы.

Температура жидкого металла, охлаждающегося в форме, определяется формулой, предложенной для условий литья под давлением А. И. Вейником:

из которой время отвода теплоты перегрева т определится при достижении температуры кристаллизации t = t_кp:

                               (103)

где τ₀ — время течения металла до рассматриваемого сечения отливки в сек; М_отл — приведенный размер отливки в м, М_отл = Н/2; t_зап — температура жидкого металла в момент окончания заполнения в °С; t_ф — температура формы с учетом предварительного подогрева и прогрева формы в процессе заполнения,

t'_ф — температура предварительного подогрева в °С; τ_зап — время заполнения или, более точно, полная длительность процесса течения металла от момента его поступления в литниковый канал в сек.

Время τ₀ и τз_зап определяется по общей формуле:

где si — путь, пройденный прессующим поршнем за соответствуюший период υ_пр — средняя скорость прессования на отрезке пути si в м/сек

Время заполнения τзап можно определять также по формуле (94) для дисперсного заполнения, используемого при литье цинковых или магниевых сплавов.

Температуру, соответствующую окончанию заполнения, также можно найти из формулы (96) после некоторых преобразований:

                               (104)

где К₁ — коэффициент, равный для магниевых сплавов 0,1 и для цинковых 0,201; t"_ф — температура формы, стремящаяся к температуре контакта,для магниевых сплавов 350°С, для цинковых 200° С; τ_зап — действительное время заполнения полости формы псек.

Если требуется определить время отвода теплоты перегрева от всей отливки, то время то в выражении (103) следует приравнять времени заполнения τ_зап. В этом случае дополнительное время отвода теплоты перегрева τ_т.п, отсчитываемое от окончания заполнения формы,

τ_т.п = τ - τ_зап

определится формулой

или после подстановки значения коэффициента b_ф для стали и теплофизических характеристик для сплавов

                                (105)

где К₃ - для магниевых сплавов 0,076 и для цинковых 0,123, если H в мм.

Найдем дополнительное время отвода теплоты перегрева для отливки из цинкового сплава ЦАМ4-3 толщиной 4 мм, если t_зал = 420°С, t'_ф = 120°С, температура поверхности формы при дисперсном заполнении t"_ф = 200°С и t_ф→t_к = 300° С. Время заполнения формы t_зап = 0,06 сек.

По формуле (104) находим температуру жидкого цинкового сплава в момент окончания заполнения:

Время отвода теплоты перегрева τ_т.п находим по формуле (105)

Если к моменту отвода теплоты перегрева металл сохранит жидкотекучесть в питателе, то в течение времени τ_т.п усилие подпрессовки может беспрепятственно передаваться в форму и сжимать воздушно-газовые раковины, объем которых уменьшается пропорционально возрастанию давления.

Процесс затвердевания отливки в форме после отвода теплоты перегрева происходит также в условиях передачи подпрессо-вочного усилия, причем давление подпрессовки падает по мере возрастания сопротивления в форме. Следовательно, процесс затвердевания происходит при плотном контакте отливки с поверхностью формы.

Связь между объемом затвердевшего металла V и временем τ определяется формулой:

откуда время затвердевания при температуре кристаллизации tкp

где V₀ — объем металла, затвердевшего в данном сечении к моменту остановки потока, в м3; F_отл — площадь поверхности охлаждения отливки в м2; ρ_м — плотность отливки в твердом состоянии в кг/мг; r — удельная теплота кристаллизации сплава в дж/кг; τ_кр — время от начала заполнения до начала кристаллизации, τ_кр = τ_зап + τ_т.п в сек.

При полном затвердевании отливки объем V становится равным объему отливки V_отл, V₀ = 0, а τ₀ = τ_кр. Заменяя отношение V_отл/F_отл, равное приведенному размеру отливки, через толщину стенки отливки V_отл/F_отл=М_отл=Н/2, получим формулу для определения времени полного затвердевания τ_зат = τ — τ_кр = τ — (τ_зап + τ_т.п)y отмоментаначала до окончания кристаллизации:

или после подстановки значения b_ф для стали и замены значений ρ_м и r для различных сплавов постоянными коэффициентами

                                (106)

где K₄ — коэффициент (при H в мм), равный для сплавов: медных (латунь ЛС-59-1) 48, магниевых 17, алюминиевых 35, цинковых 25.

В формуле (106) температура формы t_ф соответствует среднему значению между температурой предварительного подогрева t'_ф и температурой контакта t_к.

Зависимости времени затвердевания от толщины стенки отливок из различных сплавов приведены на рис. 94. Эти зависимости показывают, что магниевые сплавы затвердевают примерно в 2 раза быстрее, чем алюминиевые и цинковые сплавы. Рис. 94. Зависимость времени затвердевания от толщины отливки из магниевых (1), медных (2), алюминиевых (3) и цинковых (4) сплавов

После полного затвердевания отливки начинается ее охлаждение в форме с образованием зазора между внешней поверхностью отливки и формы. Внутренние поверхности отливки, оформляемые стержнями, в результате усадки образуют плотный контакт с формой.

Время охлаждения затвердевшей отливки можно рассчитывать по формуле (84).

Находим полное время охлаждения отливки

где Х_заз — толщина зазора в м; λ_заз — теплопроводность газа, заполняющего зазор (продукты сгорания смазки), в вт/м °С; t_сол — температура солидуса (окончания  затвердевания) в °С; t_кон — конечная температура, при которой отливка удаляется из формы, в °С; t_ф — температура формы в процессе охлаждения отливки, , в °С; m_отл — масса отливки в кг; с_м — удельная теплоемкость материала отливки в дж/кг°С; F_внеш — внешняя поверхность охлаждения отливки в м2.

Например, определим время охлаждения для отливки в виде тонкостенного цилиндра весом 0,5 кг из сплава АЛ2 с_м = 92 дж/кг°С [0,22 ккал/кГ°С] с внешней поверхностью  охлаждения F_внеш = 0,02 м2, при условии образования газового зазора Х_заз = 0,05 мм = 5 · 10^-5 м.

Коэффициент теплопроводности газового зазора принимаем (для смеси газов СО₂, Н₂, N₂ и О₂) λ_заз = 2,46 вт/м °С (59·10^-5 ккал/мсек °С).

Отливка удаляется из формы при t_кон = 400° С.

На рис. 95 представлены графические зависимости времени охлаждения от конечной температуры удаления отливки из формы tкон для данной расчетной отливки из алюминиевого сплава. Рис. 95. Зависимость времени охлаждения отливки из сплава АЛ2 при различной величине (толщине) зазора: 1 — 0,025 мм; 2 — 0,05 мм; 3 — 0,1 мм