Математическое описание процесса не дает возможности изучать свойства конкретного единичного явления. Для этой цели необходим эксперимент. Экспериментальные методы исследования тепловых условий определяют конкретные значения температур в системе «отливка- форма» с достаточной для практических целей степенью точности.
Подробное экспериментальное исследование теплового взаимодействия между потоком металла и формой при литье под давлением было осуществлено E. Микелем. Описание опытов E. Микеля приведено также в работах E. Карингтона и А. И. Вейника.
Температуру поверхности E. Микель измерял с помощью высокочувствительных поверхностных термопар (рис. 82, a). Kopпус термопары 1 изготовлен из той же стали, что и форма. Термопара состоит из никелевого проводника 2, покрытого изолирующим слоем окисной пленки, и тонкого никелевого слоя 3, нанесенного на корпус 1 электролитическим способом. Толщина никелевого слоя, являющегося вторым электродом термопары, 10±2мк.
Таким образом, показания термопары соответствовали температуре точки, расположенной на расстоянии 10 мк от поверхности формы (фактически измерялась температура поверхности). Термопара данной конструкции обеспечивала точность измерений ±15°C.
В полости формы устанавливалось пять термопар, схема расположения которых представлена на рис. 82, б.
 |
Рис. 82. Измерение температуры поверхности в опытах E. Микеля: а — элемент термопары; б — схема расположения пяти поверхностных термопар (1-5) в форме (A — литник, Б — питатель, В — отливка, Г — промывник) |
На рис. 83 показаны кривые изменения температуры поверхности в точках 1—5 (см. рис.82, б), полученные по осциллографическим записям. Во всех точках наблюдается резкое повышение температуры (за исключением точки 5, в которой термопара не соприкасалась с жидким металлом). Температура повышалась с большой скоростью: на 300° температура изменялась за 0,001 сек.
 |
С течением времени по мере охлаждения отливки температура поверхности падает; вначале быстро, потом медленнее, приближаясь к исходному значению температуры подогрева формы, которая в опытах E. Микеля составляла около 300°С. Рис. 83. Изменение температуры поверхности формы. Кривые 1—5 соответствуют номерам термопар на рис. 82, б |
В точке 1 в литниковой втулке температура поверхности поднялась до температуры металла (кривая 1 на рис. 83). В точке 2 наблюдается максимальное повышение температуры поверхности при прохождении металла с большой скоростью через питатель. При температуре металла 610±3°С температура поверхности достигала 650—680±15°С.
Соответственно повышается и температура расплава, в связи с чем температура в точке 3 также превышает первоначальную температуру заливки. Разогрев металла происходит за счет теплоты трения. E. Микель наблюдал заметное повышение температуры металла даже при кашеобразной заливке.
Исследования X. Бартона и С. Сакуи позволили установить зависимость повышения температуры различных сплавов от скорости движения их в литниковой системе.
Повышение вязкости сплава увеличивает трение в литниковой системе и тем самым приводит к дополнительному росту температуры. Максимальное выделение тепла происходит при движении металла через тонкий и широкий питатель (при осуществлении принципа максимального трения). Таким образом, часть кинетической энергии струи расходуется в процессе впуска металла в форму. Оставшаяся кинетическая энергия превращается в теплоту в момент остановки потока при окончательном заполнении формы.
Разогрев металла в конце заполнения зафиксирован группой японских исследователей. На рис. 84, a изображены кривые изменений температуры металла в дальнем сечении отливки и разности температур между дальним сечением отливки и питателем при начальной температуре формы 25°С и температуре расплава 425°С (для цинкового сплава, подобного по составу сплаву ЦАМ4-3).
 |
Рис. 84. Изменение температуры металла в процессе заполнения и охлаждения отливки при начальной температуре формы 25°С (а) и 100° С (б) |
После пика А температура падает на 80—90° до точки В вследствие образования затвердевшей корочки на поверхности формы.
Появление второго пика С, совпадающего по времени с окончанием заполнения, объясняется выделением тепла в момент гидравлического удара, в результате которого частично расплавляется корочка.
Кривая изменения разности температур показывает, что в момент начала заполнения разность температур на концах отливки резко возрастает и почти исчезает к моменту окончания заполнения.
При повышении температуры формы на 100° толщина затвердевшей корочки значительно меньше и пики (A' и С') почти не образуются (рис. 84, б). В этом случае температура металла при заливке на 40—50°С выше, чем при холодной форме. Температура затвердевшей отливки также повышается на 100°.
Замеры температуры металла около питателя показывают, что при прохождении сплава через литниковую систему температура его падает на 25°, полученный результат прямо противоположен выводам E. Микеля. Такое расхождение можно объяснить применением в опытах E. Микеля очень небольших по сечению литников в отличие от опытов японских исследователей.
Для измерения температуры в потоке металла рекомендуется использовать термопары с минимальной инерционностью ввиду кратковременности процесса. На рис. 85, а дана схема термопары, не имеющей спая. Такая термопара использовалась H. А. Кудриным. Электроды термопары замыкаются расплавленным металлом, обеспечивая инерционность 0,09 сек, в то время как инерционность обычных термопар составляет 0,2—0,3 сек.
Температура форм контролируется железо-константановыми термопарами, спай которых должен иметь хороший контакт с элементами формы. На рис. 85, б показана конструкция измерительной буксы с горячим спаем в виде наконечника из малоуглеродистой стали.
 |
Рис. 85. Методы измерения температуры заливаемого металла (а) и формы (б): 1 — электроды термопары; 2 — изоляционная трубка; 3 — асбестовое уплотнение; 4 — корпус термопары; 5 — наконечник (горячий спай термопары) |
Для исследования температурных полей в армированных отливках M. Л. Заславский предложил методику ввода термопар в полость формы через прокладки по плоскости разъема. Прокладка 1 толщиной 1 —1,5 мм (рис. 86, a) надевается на направляющие колонки формы. Одна или несколько тонких термопар 2 вставляются в прорези прокладки и вводятся между отдельными пластинками 3 пакета арматуры. M. Л. Заславский рекомендует использовать хромель-алюмелевые или хромель-алюминиевые термопары с диаметром электродов 0,1—0,2 мм. В качестве изоляции применяются фторопластовые трубочки с внутренним диаметром 0,3 мм. Такие термопары можно сплющивать между отдельными пластинками арматуры.
На рис. 86, б даны кривые изменения температуры, построенные по осциллографическим записям показаний термопар в системе «отливка — арматура» в точке А (в стенке отливки), в точке Б (на расстоянии 2,5 мм от поверхности арматуры) и в точке В (в центре арматуры). Арматура из электротехнической стали заливалась сплавом АЛ2 в холодной форме. Температура заливки сплава 630—640°С. Кривые А, Б и В получены при толщине стенки отливки 10 мм, а кривые A', Б' и B' — при толщине стенки 4 мм.
При увеличении толщины стенки разогрев арматуры возрастает на 90—120° С, а на кривой охлаждения сплава (А) отмечается небольшой пик в момент окончания заполнения формы через 0,06 сек после начала заливки.
 |
Горизонтальный участок кривых А и A' соответствует периоду затвердевания отливки. Рис. 86. Измерение температурного поля армированной отливки: а — введение термопар в полость формы с помощью прокладки; б — изменение температур отливки и арматуры |
В процессе охлаждения армированной отливки температура центра арматуры понижается медленнее, чем температура стенок.
Экспериментальные методы определения температурных полей являются трудоемкими и длительными. Для описания зависимости температурного поля от технологических факторов необходимо провести сотни замеров, соблюдая одинаковые условия эксперимента.
С целью упрощения экспериментальных исследований и связи эксперимента с математическим описанием тепловых процессов применяются методы электрической или гидравлической аналогии.
При использовании электрической аналогии процесс теплопередачи в твердом теле заменяется подобным ему процессом движения электричества в проводнике, а при гидравлической аналогии — процессом ламинарного движения жидкости в системе сообщающихся сосудов.
