Металлургия. Отливки.
Затвердевание и охлаждение отливок
В сложном явлении затвердевания очень велико значение процесса теплопередачи как в самой заготовке, так и в литейной форме, при этом теплопередача в затвердевающей заготовке должна рассматриваться непременно с учётом фазовых превращений, предопределяемых процессом кристаллизации, который в свою очередь подстраивается под возникающую тепловую обстановку. Изучение процесса затвердевания отнюдь не, сводится к умению определять время возникновения твёрдой заготовки-отливки из залитого в форму расплава. Более важно уметь представлять, как идет процесс затвердевания в разных частях отливки, насколько разновременно он проходит, какова интенсивность отвода теплоты и интенсивность нарастания твёрдой фазы на том или ином участке отливки.
Обсуждая проблему затвердевания литых заготовок, необходимо рассматривать физико-химические явления на поверхности литейной формы, соприкасающейся сначала с расплавом и затем с твёрдым металлом, явления выделения газов в кристаллизующемся расплаве, сокращение объёма расплава при охлаждении и кристаллизации и сокращение размеров возникающей отливки при её охлаждении, механическое взаимодействие отливки с литейной формой, приводящее к появлению деформаций и напряжений и т.д. Только имея наиболее полные и всесторонние представления об этом очень сложном комплексе процессов, можно прогнозировать ожидаемую физическую плотность литой заготовки, её структуру и свойства, т.е. иметь научную основу для создания технологии производства литых заготовок.
Наиболее простой и наглядный способ изучения процесса затвердевания отливок состоит в выливании жидкой не затвердевшей части расплава из литейных форм через увеличивающиеся промежутки времени. По массе затвердевшего металла или по толщине затвердевшего слоя можно составить представление о кинетике процесса затвердевания. Однако этот способ обладает ограниченными возможностями, так как не позволяет выяснить такие особенности процесса, как распределение температуры в отливке и в форме, образующуюся структуру, макро неоднородность металла. Кроме того, как показали наблюдения, в случае сплавов со значительным температурным интервалом кристаллизации не выливается металл, в котором содержится только 40…50 % кристаллов, и, наоборот, при малом интервале кристаллизации выливается металл, где содержится 20…40 % твёрдой фазы. Следовательно, точность метода выливания может быть весьма невысокой.
Еще менее информативен метод ощупывания, когда толщину слоя твёрдого металла определяют с помощью щупа-прутка, выдерживающего воздействие расплава.
Затвердевание изучают путем введения в жидкую часть заготовки радиоактивных изотопов, которые достаточно легко растворяются в расплаве. На приготовленных затем из затвердевшей отливки макрошлифах достаточно четко затвердевшей отливки макрошлифах достаточно четко фиксируется бывший жидкий объём. Вместо радиоактивных изотопов можно вводить обычный черный металл. В этом случае жидкая часть заготовки оказывается состоящей из другого сплава, нежели твёрдая часть, возникшая к моменту введения добавки. Эта бывшая жидкая часть хорошо различается по макро- и микроструктуре.
Жидкий объём затвердевающей отливки можно выявить по структуре, если подвергнуть её в ходе затвердевания вибрированию или обработать ультразвуком. Введение радиоактивных и обычных добавок дает надежные результаты лишь при сплавах с, малыми интервалами кристаллизации. Кроме того, при способе добавок остаётся неизвестным температурное поле затвердевающей заготовки.
Более полную информацию о процессе затвердевания дает термический анализ с помощью нескольких (трёх – пяти) термопар, установленных в полости литейной формы на разной глубине от поверхности. Этот метод позволяет построить тепловое поле затвердевающей отливки, а при установке термопар в стенке литейной формы можно воссоздать полную тепловую картину в системе отливка-форма. Однако и этот метод требует дополнительных сведений, в частности о состоянии металла в центральной части заготовки. Эти данные получают методом выливания или с помощью щупа.
Весьма заманчивы расчётные методы изучения процесса затвердевания. В течение длительного времени разрабатывались аналитические способы расчёта, основанные на общих законах теплофизики. Оказалось, что решения возможны для отдельных случаев с определенным упрощениями исходных условий. В последние годы успешно разрабатываются численные методы расчёта с применение ЭВМ, однако и в этом случае неизбежны упрощающие допущения.
Большие трудности в расчётных методах вызваны неопределенностью и непостоянством значений теплофизических свойств расплавов, твёрдых металлов и материалов литейной формы в необходимом широком диапазон температур. Тем не менее, именно численные методы расчёт позволяют решать задачи по затвердеванию отливок не только в рамках научных исследований, но и для разработки технологии производства отливок. Благодаря мощности ЭВМ удается пересчитать большое число вариантов остановиться на тех, которые дают наиболее достоверны результаты.
В ходе затвердевания отливок выявлены существенные различия в зависимости от материала литейных форм. Количественно эти различия могут быть выражен величиной критерия Био отливки.
Существенно влияют на процесс затвердевания отливки особенности кристаллизации сплавов, из которых наиболее заметно проявляет себя температурный интервал кристаллизации. Поэтому рассмотрим отдельно затвердевание отливок из сплавов, обладающих различными интервалами кристаллизации, при использовании металлических и песчаных форм.