ЖИДКОТЕКУЧЕСТЬ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ

Методические указания к лабораторной работе

по курсу «теоретические основы

литейного производства»

Екатеринбург 2011

Министерство образования и науки РФ

ФГАОУ ВПО «Уральский федеральный университет

имени первого Президента России Б.Н.Ельцина»

ЖИДКОТЕКУЧЕСТЬ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ

Методические указания к лабораторной работе

по курсу «Теоретические основы литейного

производства» для вечернего и заочного

обучения специальности 0404 –Литейное

производство черных и цветных металлов

_____________________________________________________________________________

Издание УрФУ Екатеринбург 2011

ЖИДКОТЕКУЧЕСТЬ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ

Методические указания к лабораторной работе

по курсу «Теоретические основы литейного

производства» для вечернего и заочного

обучения специальности 0404 –Литейное

производство черных и цветных металлов

изд. УрФУ, 2011 с. 22

Методические указания предназначены для проведения лабораторного практикума с целью закрепления знаний студентов курсу «Теоретические основы литейного

производства», а также развития у них навыков выполнения научного исследования. Даны

краткие сведения по теории жидкотекучести . Изложена методика проведения эксперимента и обработки его результатов.

Рис. 4 Табл. 2 Библ. 6 назв.

Составили Хлынов В. В.

Чечулин В. А.

Уральский Федеральный Университет имени первого Президента РФ Ельцина Б. Н., 2011

1. Механизм остановки потока металла

Жидкотекучестью называют свойство металлов и сплавов, выражающее их способность заполнять форму и воспроизводить в отливках рельефный отпечаток ее поверхности.

Жидкотекучесть является важнейшей технологической характеристикой литейного сплава. При недостаточной величине ее в отливках могут появляться недоливы, спаи и другие литейные дефекты. Жидкотекучесть зависит от большого числа физических и технологических параметров: температура заливки сплава, его теплоемкости и скрытой теплоты кристаллизации, температуры и теплоаккумулирующей способности формы, характера первичной кристаллизации, вязкости сплава.

Различают истинную и практическую жидкотекучести. Истинные жидкотекучести сплавов выявляются при сравнении их величин в условиях одинакового перегрева над температурами, при которых сплав теряет способность к течению (нулевая жидкотекучесть). Практическая жидкотекучесть определяется для сплавов разного состава при одинаковой температуре заливки.

Жидкотекучесть Y принято характеризовать длиной (см или мм) заполненной части рабочего канала технологической пробы, см., например, [1]. Остановка потока в канале пробы может быть вызвана различными причинами. В случае широкоинтервальных сплавов затвердевание носит объемный характер, и кристаллы выделяются по всему сечению струи. При этом повышается вязкость расплава, поскольку твердые частицы уменьшают область, где происходит скольжение слоев. По мере увеличения количества выпавших кристаллов они могут соприкасаться друг с другом, в результате чего возникает статическое трение, препятствующее смещению слоев. Течение в такой системе описывается роологической моделью, близкой к телу Бингама:

,

где - приложенное напряжение;

- статическое напряжение сдвига;

- вязкость;

- поперечный градиент скорости.

Как только превзойдет действующее напряжение , течение металла прекратится. Нулевая жидкотекучесть отвечает некоторой критической доле твердой фазы Ψ^*, выпавшей к моменту достижения температуры Т^*, лежащей между ликвидусом и солидусом. Это состояние наступает прежде всего в интенсивно охлаждающейся головной части потока, которая постоянно набегает на непрогретую стенку формы.

Поэтому остановка течения сплава, кристаллизующегося в интервале температур, происходит в результате образования «пробки» в головной части потока.

Для чистых металлов, эвтектик и сплавов с узким интервалом кристаллизации затвердевания в канале начинается от стенок и постепенно распространяется в осевые области. Остановка происходит в результате уменьшения сечения жидкого потока, причем место перехвата удаляется от входа в канал по мере увеличения перегрева заливаемого металла.

2.Жидкотекучесть сплавов, кристаллизующихся в интервале температур

На рис. 1 приведена принципиальная схема пробы на жидкотекучесть, состоящей из литниковой чаши, стояка и рабочего канала.

Рис.1 Схема технологической пробы на жилкотекучесть

Общая продолжительность течения до остановки потока складывается из двух этапов. В первом периоде (τ₁) металл течет в однофазном жидком состоянии. К концу периода температура в головной части потока понижается до температуры ликвидуса. Во втором периоде (τ₂) течение происходит при постепенном возрастании количества твердой фазы в головной части потока.

Величина жидкотекучести может быть представлена как произведение средней скорости течения в рабочем канале пробы на продолжительность двух этапов течения:

. (1)

Для определения величины воспользуемся уравнением Бернулли, написанным для сечений а-а и б-б (рис.1):

, (2)

где H – действующий напор, м;

- потери напора на трение и на местных сопротивлениях, м;

, - квадраты скоростей в соответствующих сечениях, м/с;

- плотность сплава, кг/м³;

- ускорение силы тяжести, м/с²;

, - давления в соответствующих сечениях, Па.

Учтем равенство давлений = . Пренебрегая малым скоростным напором в чаше , получим:

Н + (3)

Введем суммарный коэффициент гидродинамического сопротивления системы . Тогда = ,

Н= (1+ )

(4)

Выделим в головной части потока элемент объемом V, контактирующий с формой через боковую поверхность площади S. При течении этот элемент, перемещаясь, все время соприкасается с новым непрогретыми участками канала, имеющими начальную температуру Т₀₂. На границе контакта кратковременно устанавливается температура Т_к, которую по аналогии с тепловым взаимодействии двух полуограниченных тел [2] можно с помощью формулы:

, (5)

где - средняя температура по сечению головного элемента в момент времени ;

и - коэффициент аккумуляции тепла сплавом и формой, .

Обозначим: Т₀₁ – температура заливки, град;

с_ж – средняя теплоемкость жидкого сплава, ;

- средняя плотность жидкого сплава, кг/м³;

- средняя теплоемкость сплава в интервале кристаллизации, Дж/кгград

- приведенный размер канала, м;

- удельный коэффициент теплоотдачи от потока металла к стенке канала, ;

L – удельная скрытая теплота кристаллизации сплава, Дж/кг;

В первом периоде течения за время d головным элементом будет отдано количество тепла , которое аккумулируется формой:

,

Подставляя из (5), получаем:

.

Разделяем переменные и производим интегрирование:

,

Следовательно продолжительность первого периода:

. (6)

При заливке сплава без перегрева ( = ) величина =0.

Уравнение теплового баланса для второго периода должно учитывать дальнейшее охлаждение сплава от до с одновременным увеличением доли твердой фазы от 0 до Ψ^*. Удельное количество тепла, которое выделится при охлаждении сплава от до конца затвердевания.

, Дж/кг.

Приближенно считаем, что количество выделившейся теплоты пропорционально доле твердой фазы Ψ, а коэффициент теплоотдачи мало меняется по сравнению с первым периодом. Средняя по времени температура металла во втором периоде равна . Тогда:

(7)

Примем = , после чего

, с (8)

Подставляем полученные , , в формулу (1):

. (9)

Выражение (9) показывает, что главным фактором, определяющим величину жидкотекучести, является теплосодержание сплава при заливке его в форму. Течение сплава поддерживается за счет теплоты перегрева жидкого металла и, частично, за счет выделения скрытой теплоты кристаллизации.