Определение скорости охлаждения отливки в форме :: Литейные технологии

    

 
Разделы сайта
Статьи
Информация

Определение скорости охлаждения отливки в форме

Для определения скорости охлаждения отливки в форме за весь период от заливки до выбивки температуру детали замеряли вольфрам-молибденовой термопарой типа ЦНИИЧМ-1.

В качестве вторичного прибора применяли переносный потенциометр типа ПП и ЭПП-09 [1]. Термопару для замера температуры вводили в тело отливки через специальный кожух, устанавливаемый в форму при формовке или при сборке по схеме, изображенной на фиг. 3. На кожух наматывали проволоку для того, чтобы предохранить его от растворения в жидком металле. В результате таких мер термопара некоторое время показывала заниженную температуру из-за медленного прогрева защитного кожуха. Но после того, когда кожух прогревался при температуре отливки 1300—1100°С, и весь последующий период охлаждения термопары давали правильные показания. Термопару устанавливали в наиболее горячие, медленно остывающие части отливки и в ее подприбыльные участки. В тонкостенных отливках термопары устанавливались с кварцевыми наконечниками без защиты металлическим кожухом.

Температурные кривые охлаждения отливок в форме с момента заливки до выбивки были сняты с 30 отливок различного веса и конфигурации. В отдельных случаях температуру замеряли одновременно двумя термопарами для определения перепада температур между медленно и быстро остывающими частями отливки.

Охлаждение отливки в форме. Скорость охлаждения отливки в форме за весь период от заливки до выбивки беспрерывно меняется. Непосредственно после заливки, когда между формой и металлом существует самый большой перепад температур, форма очень интенсивно отнимает тепло от металла, и скорость охлаждения достигает нескольких сот градусов в час. Разница температур между отдельными элементами детали с разной толщиной стенки в этот период достигает 150— 250 °С и более. Такой характер охлаждения имеет место, например, на отливках типа колес, шкивов, барабанов и т. п.

У зубчатого колеса, изображенного на фиг. 4, разность температур спицы и ступицы через некоторое время после заливки металла в форму достигает 150 °С (фиг. 5), а у зубчатого колеса, изображенного на фиг. 6 — 360 °С (фиг. 7).

Между частями отливки с относительно одинаковыми толщинами стенок большой разницы температур в этот период не наблюдается. По мере нагревания формы и охлаждения металла разница температур между ними беспрерывно уменьшается, а в соответствии с этим беспрерывно замедляется и скорость охлаждения отливки. С увеличением толщины тела отливки повышается скорость прогрева прилегающего к ней поверхностного слоя формы и соответственно при более высокой температуре наступает замедление скорости ее охлаждения.

Особенно медленно охлаждаются такие части отливки, которые находятся внутри ее контура. Характер остывания тонких и толстых частей одной и той же отливки также беспрерывно изменяется.

На фиг. 5 и 7 видно, что тонкий диск (спица) в первый момент после заливки остывает очень быстро, но после охлаждения до температуры 750—800 °С темп понижения температуры резко замедляется и становится меньше, чем у более массивных частей отливок (обода и ступицы). В данном случае имеет место передача теплоты медленно остывающих обода и ступицы диску (спице).

Пока температура металла этих частей отливки была одинакова, теплота от обода, ступицы и диска аккумулировалась и рассеивалась формой. Но запас теплоты на единицу поверхности формы у диска (спицы) значительно меньше, в результате чего он остывает быстрее.

Температурная остановка, имеющая место в интервале 680—750 °С, связанная с изменением теплоемкости стали при перлитном превращении, способствует некоторому уменьшению температурного перепада между диском и ободом, ступицей и диском. Но при дальнейшем охлаждении он может вновь увеличиваться.

Когда между ободом, диском, а также между ступицей и диском возникает перепад температур, то, благодаря более высокой теплопроводности металла по сравнению с формой, возникает тепловой поток от обода и ступицы к диску, а от него — в форму. На некоторое время темп остывания диска настолько замедляется, что температура его практически не изменяется.

Формовочная смесь между ободом и ступицей прогревается также за счет непосредственной передачи тепла от этих частей детали форме. Это приводит к дополнительному понижению аккумулирующей способности формы на участке против диска и к замедлению скорости его охлаждения. Теплоотвод от обода детали осуществляется беспрепятственно через его наружную поверхность в сторону опоки, а также и с его торцевых поверхностей. Скорость остывания обода изменяется меньше, чем у диска, и в определенной стадии охлаждения она больше скорости охлаждения диска. Изменение соотношения скоростей остывания тонкостенных и толстостенных наружных и внутренних частей отливки, рассмотренное на примере зубчатого колеса, в равной степени относится к деталям любой другой конфигурации, если имеет место аналогичный характер теплопередачи.

Из рассмотрения температурных кривых охлаждения диска и обода детали, изображенной на фиг. 4, видно, что при температуре несколько выше температуры перехода детали из области пластических в область упругих деформаций температура обода и диска одинакова (фиг. 5). В это время в детали нет никаких напряжений. По мере дальнейшего охлаждения обод охлаждается быстрее и в нем развиваются растягивающие напряжения, потому что медленно остывающий диск не позволяет ему уменьшаться в размерах. Эти напряжения частично снимаются пластической деформацией. Через некоторое время соотношение скоростей охлаждения меняется. Диск охлаждается быстрее обода. Деталь полностью находится в области упругих деформаций. В этом случае обод тормозит усадку диска и в последнем возникают напряжения растяжения. Этот период охлаждения является наиболее опасным.

Если вынуть отливку из формы при максимальной разнице температур между ободом и диском, диск будет охлаждаться с еще большей скоростью и развивающиеся в нем напряжения растяжения могут превзойти прочностные свойства металла, на диске возникает холодная трещина. Если трещина и не возникнет, отливка будет иметь высокие напряжения, которые в сочетании с напряжениями от случайных ударов могут привести к трещине. Особенно склонны к холодным трещинам колеса с большой разницей толщины диска и обода, а также колеса с сильно ослабленными дисками, выполненными с отверстиями. Продолжительная выдержка таких отливок в форме уменьшает перепад температур между толстостенными и тонкостенными частями, соответственно уменьшает напряжения и вероятность возникновения трещин. Охлаждение отливки после извлечения ее из формы. После выбивки отливки из формы скорость охлаждения ее резко возрастает. Особенно быстро остывает наружная часть отливки, очищенная от формовочной смеси. Внутренние же части, оставаясь под слоем формовочной смеси, остывают значительно медленнее.

Неравномерность скорости охлаждения внешних и внутренних частей отливки значительно увеличивается с повышением температуры выбивки. При естественном остывании в форме зубчатого колеса, изображенного на фиг. 8, разность температур между ободом и ступицей в процессе охлаждения достигает 130°С (фиг. 9). Другое зубчатое колесо было вынуто из формы при температуре 680 °С, и разница температур между наружной и внутренней частью отливки увеличилась до 250 °С (фиг. 10).

После извлечения такого же колеса из формы при температуре 1000 °С и охлаждении его на воздухе перепад достигает уже 350°С (фиг. 11). Аналогичная картина имела место и у других зубчатых колес. Однако даже при таком перепаде температуры от одной части отливки к другой на данных колесах трещин не возникало. Для того чтобы определить, при какой разнице температур на отливке возникнет трещина у колеса, изображенного на фиг. 12, разность температур между ободом и ступицей искусственным путем была доведена до 420°С (фиг. 13). При дальнейшем остывании зубчатого колеса, когда наиболее медленно остывающая ступица достигла температуры ниже 600 °С, на спице образовалась трещина. Из этого опыта видно, что даже на таком колесе, которое по конструкции мало склонно к трещинам, этот дефект может возникнуть при большом перепаде температур от одной части отливки к другой.

Остаточные напряжения в отливке пропорциональны модулю упругости, коэффициенту линейного расширения металла и абсолютной разности температур между различными частями отливки. Коэффициент линейного расширения и модуль упругости для данного сплава изменяются в незначительных пределах, наибольшее влияние на величину остаточных напряжений оказывает разность температур по сечению отливки, которая увеличивается с повышением температуры выбивки отливок из формы. Чем больше эта разность, тем выше напряжения и тем больше вероятность образования трещин. Перепад температуры по сечению отливки зависит от ее конструкции и толщины стенок. При одной и той же температуре выбивки различных отливок разность температур по их сечению может сильно отличаться. Одни отливки можно выбивать при более высоких, другие при более низких температурах. Ввиду отсутствия достаточно надежных и простых методов расчета допустимой температуры выбивки отливок разной конфигурации подбор оптимальных температур производился опытным путем.

На основании опытных данных были выведены графические зависимости между оптимальной температурой отливки, которую она имела при извлечении из формы, ее весом и толщиной стенки (фиг. 14). Температуры отливок при выбивке их из форм для новой диаграммы были приняты более высокие, чем по ранее действовавшим на заводе нормам выдержки, особенно для отливок со стенками толщиной менее 80 мм, что и обеспечило возможность сокращения выдержки. При одинаковой толщине отливки с увеличением ее веса температура извлечения из форм понижается. С уменьшением толщины тела при одинаковом весе температура выбивки также понижается.

Верхний предел рекомендуемых температур при выбивке был определен опытным путем с учетом следующих особенностей.

  • Отливка, извлекаемая из формы при повышенных и высоких температурах, должна обладать достаточной прочностью, жесткостью и не деформироваться при выбивке. Менее жесткие тонкостенные отливки выбиваются при более низких температурах, чем толстостенные.
  • У тонкостенных отливок после выбивки возникает больший температурный перепад между внутренними и наружными частями отливки, чем у толстостенных, что может вызвать увеличение напряжений и связанное с ними коробление и трещины. Поэтому при одинаковом весе отливку с тонкими стенками нужно вынимать из формы при более низкой температуре, чем отливки с толстыми стенками.
  • Высокие температуры выбивки толстостенных и массивных отливок сокращают срок службы тросов и затрудняют работу обслуживающего персонала цеха.

Комментарии: 0

Ваше имя *
Ваш Email *

Сумма цифр справа: код подтверждения

Главная » Статьи » Выдержка отливок в формах » Определение скорости охлаждения отливки в форме
Порекомендовать
Добавить в закладки