3) Влияние внешнего давления на глубину проникновения металла в поры формы.

Внешнее давление на металл значительно влияет на глубину проникновения жидкого металла в поры стенки формы и существенно на частоту поверхности отливки. Это связано с тем, что формовочные смеси подбирают из условий несмачиваемости их жидким металлом. В этом случае силы капиллярного давления препятствует проникновению металла в поры стенки формы.

Если давление металла на стенку формы будет превышать капиллярное давление, то металл проникнет в поры формы на глубину до половины диаметра частиц (при условии, что стенка формы холодная). При прогреве поверхности формы металл будет проникать вглубь формы вслед за распространением изотермы температуры плавления металла. Давление, при котором начинается проникновение металла в поры формы, зависит от угла смачивания и называется критическим давлением. Величину критического давления можно посмотреть для различных смесей в справочниках или технической литературе.

Если формовочная смесь смачивается жидким металлом, то металл проникает в поры формы независимо от внешнего давления и металлического напора. В этом случае глубина проникновения металла зависит от глубины нагрева формы до температуры плавления металла. Внешнее давление будет способствовать проникновению, облегчая продвижение металла в узких капиллярах. Глубину проникновения металла в поры формы можно изменить закупоркой пор специально введением в формовочную смесь мелкозернистым материалом, например, пылевидным кварцем, цирконовой мукой, асбестовым крошкой или покраской рабочей поверхности форм красками, наполнителями краски могут быть эти материалы. Имея большую площадь поверхности, смесь мелких и крупных зерен обладает повышенной теплоемкостью и низкой теплопроводности. Нагреваясь в более тонком слое до высоких температур, смеси в результате термического расширения дополнительно уплотняются и отсекают проникшие струйки металла, затрудняя его дельнейшее проникновение.

Механические свойства смеси не ухудшаются при введении 20 – 30 % мелкозернистой фракции. Эту роль может выполнить применение в составе смеси оборотной смеси.

На глубину проникновения металла в поры формы очень влияет степень уплотнения формы. Например, повышение плотности с 1400 кг/м³ (твердость 65 единиц) до 1600 кг/м³ (твердость 85 единиц) удваивает критическое давление проникновение металла. Это связано с тем, что при увеличении плотности глубина выжимается с поверхности частиц смеси в поры и закупоривает их. В результате повышенную чистоту поверхности следует ожидать на отливках, полученных в формах с использованием высоких давлений. Давление жидкого металла на стенку формы, влияющее главным образом на скорость проникновения, должно не значительно сказывается на глубине проникновения металла в поры формы.

Физико – химические процессы на границе металл – форма.

Газовый режим литейной формы.

Давление газа на поверхности отливки зависит от газотворной способности формы и её газопроницаемости. Газ выделяется в результате теплового воздействия металла на газотворные вещества, содержащихся в формовочной смеси (испарение воды, выделение химически связанной влаги, газификация и диссоциации компонентов смеси, горение органических добавок и т.д.) Чем выше давление газа в полости формы, тем больше концентрация его в металле.

Увеличение давления за счет расширения газов, имеющихся в порах формы до заливки под действием тепла отливки невелико и его можно не учитывать. Для расчета давление газов на поверхность отливки необходимо знать количество выделяющихся газов в единицу времени, газопроницаемость формы и приведенное сечение газового потока в форме (стержня).

Объем газов, выделяющихся в некотором промежутке времени, определяется массой смеси, прогретой за данный промежуток времени до температуры начала газовыделения. По данным Я. И. Медведева, выделяющийся объем газов

Q=a∑

Q=qh∑

где а = q*h – удельный коэффициент газовыделения смеси в м/сек^1/2,

q – абсолютная газотворная способность смеси в м^3/м³,

m – коэффициент прогрева смеси до температуры начала газовыделения в м/сек^1/2,

∑ - поверхность соприкосновения формы с жидким металлом в м²,

h – глубина прогрева формы до температуры начало газовыделения в м,

Т2 – температура газов в К,

Тв – начальная температура формы в К.

Газотворная способность смеси зависит от состава смеси. На процесс газовыделения влияют вид и температура заливаемого металла, толщина отливки, а также состав формовочной смеси. Как правило, при заливке форм сталью интенсивность газо -выделение по сравнению с чугуном повышается примерно пропорционально разнице температур заливки.

Величину и скорость газовыделения определяют с помощью специальных проб. Газы, выделяющиеся при заливке из формы и стержней, растворяются в поверхностном слое отливки. В соответствии с законом Генри для уменьшения газосодержания металла необходимо обеспечить минимальное давление выделяющихся газов в форме. Литейная формы представляет собой капиллярно – пористую среду. Условия перемещения газов или жидкости в капиллярно-пористой среде описывается уравнением фильтрации Дарси, согласно которому поток жидкости и газа пропорционален градиенту давления

dV= - D * ∑dℰ

где dV – объем жидкости или газа, профильтрованный за время dℰ по действием градиента давления ³.

∑ - полная площадь поперечного сечения фильтрационного потока в m².

γ – удельный вес фильтрации в н/m².

D – коэффициент фильтрации Дарси м/сек.

Если считать распределение давление в форме литейным, то уравнение Дарси принимает вид

dV= - D * ∑dτ,

где – разность давлений на внутренний и внешней поверхностях формы;

- толщина стенки формы в м.

Из последнего уравнения находим коэффициент фильтрации Дарси

D= .

Коэффициент фильтрации Дарси связан с коэффициентом газопроницаемости следующим соотношением

К= .

Физический смысл коэффициента газопроницаемости – способность формы пропускать газы. На коэффициент газопроницаемости влияет много различных факторов: размер и форма песчинок, их гранулометрический состав, количество и тип связующего, влажность формовочной смеси и её температура и т.д.

Расчет фильтрации газов в литейной форме затрудняется тем, что газы образуются одновременно с фильтрацией газов при изменяющемся температурном поле.

Допустим, что при нагревании газопроницаемость и пористость смеси не изменяются, течение газа в порах формы является ламинарным, а распределение газового давления в стенке формы (стержня) линейное. Тогда для описания газового давления на поверхность раздела металл – форма можно использовать следующую формулу Я. И. Медведева:

Pф= ,

где В = _з;

D = - з;

М = К .

– время начала заливки,

- продолжительность заливки в сек.

С – коэффициент, учитывающий начальное давление газов в порах формы стержня,

С = 5*10 ^{– 6} м²/н.

V – объем пор в форме (стержня) в метрах кубических.

К – газопроницаемость смеси в м⁴/(н*сек).

Fпр – приведённое сечение газового потока в форме (стержне) в квадратных метрах.

L – длинна пути фильтрации газов в м.

D – коэффициент, зависит от типа формовочной смеси.

D = 0,06÷0,6 cек.

Первый член знаменателя СV учитывает начальное давление газов в форме (стержня) и объем формы (стержня). Чем больше начальное давление газов, тем выше Рф, чем больше пористость, тем меньше Рф.

Второй член знаменателя ДМ характеризует фильтрационные формы (стержня), выражает объем газа, проходящего в единицу времени через форму при перепаде давления 1н/м, а так же зависит от размеров стержня. Для практических расчетов удобнее пользоваться соотношением

называемая геометрическим фактором формы. Ниже приведем зависимость формы геометрического фактора от класса сложности формы:

Класс сложности формы	I	II	III	IV	V
Геометрический фактор	1	1-4	4-15	15-40	40-400

Результаты расчета по формуле Я. М. Медведева хорошо совпадают с экстремальными данными (±9%) для времени, не превышающего 60 – 120 сек. от начала заливки формы.

На газовое давление на границе металл – форма очень влияют конструкция стержня и скорость заливки. Вентиляционные каналы в сплошном стержне снижают газовое давление почти в 10 раз. Медленная скорость заливки также снижает давление газа в форме.