2) Капиллярное проникновение металла

После прогрева стенки формы до температуры плавления заливаемого металла металл получает возможность двигаться в поры форм.

Прежде чем описать движение жидкого металла в порах литейной формы, сделаем следующие допущения:

а) В таком пограничном слое жидкого металла быстрота изменения всех величин в направлении, перпендикулярном к поверхности формы велика по сравнению с быстротой изменения их в тангенциальном направлении;

б) Движение жидкости в капилляре происходит настолько медленно, что нестационарный процесс движения может быть описан законом стационарного движения. При малых скоростях течение жидкости имеет ламинарный характер, например, как следует из опытных данных, скорость проникновения металла в поры формы 3-4мм/сек и не превышает 12.5мм/сек. Таким образом, принятое допущение справедливо.

в) Металл течет вдоль капилляра в одном направлении, течение в других направлениях нет. Круговые движение жидкости в капилляре пренебрегаем.

г) Диаметр капилляра значительно меньше его длины. При этом условии можно пренебречь влиянием кривизны поверхности струйки металла на характер движения жидкости.

д) На поверхности жидкости, заполняющей капилляр, действует капиллярное давления

P₀=(2σ/r_i)*cosθ,

где σ – поверхностное натяжение окисленного или не окисленного металла

θ – угол смачивания формы жидким металлом

r_i – текущее значение радиуса капилляра.

е) отсутствует внешнее давление на поверхность металла (при заливке металла в ПГФ давление газов в форме составляет 0.02кн/м² , в то время как капиллярное давление составляет около 200кн/м².

ж) Температура движущего металла совпадает с температурой капилляра.

Принятые допущения позволяют применить для расчета скорости проникновения металла в поры формы формулу Пуазейля:

η – вязкость металла

ρ – плотность жидкого металла

h – максимальная высота подъема металла в капилляре.

Расчетная скорость капиллярного проникновения стали, залитой в ПГФ при 1750К (σ=1.0н/м, η=4мн*сек/м², r=20-4 мкм, угол смачивания смеси θ=135⁰), составляет 2-10 мм/сек.

Продолжительность движения жидкого металла по капилляру определяется по уравнению:

Время движения жидкого металла по вертикальному капилляру есть величина конечная, зависящая от вязкости, поверхностного натяжения и размера пор в стенке формы.

Схема к определению зависимости глубины проникновения металла от величины статического напора.

Продолжительность движения жидкого металла по капилляру выведена при условии, что высота подъема металла в капилляре есть величина постоянная. Однако эта формула справедлива и в более общем случае. Действительно, при подъеме жидкого металла по цилиндрическому капилляру меняется как величина статического напоры ρgh, так и путь пройденный металлом в капиллярt, h – x (cм. схему). В этом же случае продолжительность подъема жидкости в капилляре на высоту h будет

Она ни чем не отличается от предыдущей формулы, приведенной ранее. Следовательно. Ею можно пользоваться для расчета продолжительности в проникновения жидкого металла в поры формы. Движение жидкого металла в порах литейной формы в интервале

h_min<=h<=h_max

проходит скачкообразно с задержкой в узких частях капилляра. Для дальнейшего продвижения после задержки необходимо внешнее воздействие, например, дополнительное внешнее давление на металл. В результате жидкий металл проходи широкую часть капилляра и вновь задерживается в следующем сужении. Чем больше различаются по размеру частицы формовочной смеси, тем больше гистерезис проникновения металла.