Затвердевание металлов:механизм, скорость и процесс | Кастинг | Производство

В этой статье мы обсудим затвердевание металлов:- 1. Механизм затвердевания 2. Скорость затвердевания 3. Затвердевание большой отливки в изолирующей форме 4. Затвердевание с преобладающим межфазным сопротивлением 5. Затвердевание с постоянным литьем Температура поверхности 6. Затвердевание с преобладающим сопротивлением в форме и затвердевшем металле.

Содержание:

1. Механизм затвердевания
2. Скорость затвердевания
3. Отверждение крупной отливки в изоляционной форме
4. Затвердевание с преобладающим сопротивлением поверхности раздела.
5. Затвердевание при постоянной температуре поверхности отливки
6. Затвердевание с преобладающим сопротивлением в форме и затвердевшем металле.

---

1. Механизм затвердевания:

Чистые металлы:

Перед началом затвердевания жидкости необходимо охладить до температуры ниже точки замерзания. Это связано с тем, что для создания поверхностей новых кристаллов требуется энергия. Необходимая степень переохлаждения снижается из-за наличия других поверхностей (частиц), которые служат начальными зародышами для роста кристаллов.

Когда жидкий металл заливается в форму, первоначально (в момент времени t ₀ на рис. 2.14) температура всюду θ ₀ . Сама поверхность формы действует как ядро ​​для роста кристаллов, и если проводимость формы высока, беспорядочно ориентированные маленькие кристаллы растут рядом с лицевой стороной формы.

Впоследствии внутри отливки возникает температурный градиент, как показано на рис. 2.14 для t ₁ и t ₂ . По мере постепенного продвижения внутрь кристалла длинные столбчатые кристаллы с осями, перпендикулярными лицевой поверхности формы, растут. Такая ориентация роста кристаллов желательна с точки зрения прочности отливки.

Сплавы:

Сплав, в отличие от чистого металла, не имеет четко определенной температуры замерзания. Отверждение сплава происходит в широком диапазоне температур. Во время этого процесса твердые частицы, отделяющиеся при разных температурах, имеют разный состав.

Из-за этих фактов направление роста кристаллов в сплаве зависит от различных факторов, например:

(i) Градиент композиции внутри отливки,

(ii) изменение температуры солидуса в зависимости от состава и

(iii) Температурный градиент внутри формы.

Мы обсудим каждый из этих факторов на примере твердого раствора сплава, фазовая диаграмма которого представлена ​​на рис. 2.15.

Пусть жидкий сплав имеет состав C ₀ (из B в A). Также пусть θ _f - температура замерзания чистого металла A, а θ ₀ и θ ’ ₀ - соответственно температуры ликвидуса и солидуса сплава состава C ₀ .

По мере охлаждения жидкого сплава до температуры 0 _O , твердые частицы начинают отделяться. Концентрация B в этих твердых веществах составляет всего C ₁ . ( 0 ), как видно из рис. 2.15. В результате концентрация B в жидкости вблизи границы раздела твердое тело-жидкость увеличивается до значения, превышающего C ₀ . Рисунок 2.16 показывает это для ситуации, когда фронт затвердевания продвинулся на некоторое расстояние d от лицевой поверхности формы.

Теперь давайте рассмотрим две точки P и Q внутри жидкого сплава, причем P находятся сразу за границей раздела твердое тело-жидкость, как показано на рис. 2.16. Температуры солидуса, соответствующие составам при P и Q, равны θ ’ _P и θ ’ _Q соответственно (см. рис. 2.15). Пусть θ _P и θ _Q - фактические температуры в точках P и Q соответственно. θ _Q больше θ _P из-за температурного градиента внутри отливки (см. рис. 2.14). Если оба θ _a и θ _P лежат в диапазоне θ ’ _P к θ ’ _Q , то жидкость в точке Q переохлаждена, а в точке P - нет. Это означает, что кристаллизация начинается в точке Q раньше, чем в точке P. Если эта разница очень заметна, то столбчатый рост кристаллов, начинающийся с поверхности формы, затруднен. Рост кристалла в такой ситуации может выглядеть так, как на рис. 2.17. Таким образом, дендрит

Таким образом создается дендритная структура. Если кристаллизация в точке Q завершится до того, как она начнется в точке P (из-за очень небольшого температурного градиента, с очень большой разницей концентраций и очень крутой линией солидуса), то внутри отливки могут появиться кристаллы с произвольной ориентацией. Кроме того, наличие твердых кристаллов перед границей раздела твердое тело-жидкость затрудняет подачу жидкого металла. Это также подразумевает больший риск появления пустот внутри отливки, обычно называемый усадкой по средней линии.

Одним из способов избежать вышеупомянутой проблемы является создание большого температурного градиента внутри формы за счет охлаждения (охлаждаемого металлического блока с высокой теплопроводностью) на конце формы. Если θ _P значительно ниже 6q, то степень переохлаждения существенно не отличается при P и Q и обеспечивается постепенное продвижение границы раздела твердое тело-жидкость. Проблема, очевидно, менее критична для сплавов, имеющих небольшую разницу температур между линиями ликвидуса и солидуса.

Схемы замораживания охлажденной и обычной пресс-формы показаны на рис. 2.18. На рис. 2.18a затвердевание начинается на центральной линии формы до того, как затвердевание завершится даже на лицевой стороне формы. С другой стороны, в охлажденной форме (рис. 2.18b) из-за быстрого отвода тепла узкая зона жидкость-твердое вещество быстро перемещается по расплавленному металлу.

Сложность подачи данного сплава в пресс-форму выражается величиной, называемой сопротивлением подачи по центральной линии (CFR). Это определяется как -

---

2. Скорость затвердевания:

Резервуар с жидким металлом, называемый стояком, используется для компенсации усадки, которая имеет место от температуры заливки до затвердевания. В этом отношении интересным исключением является серый чугун, где затвердевание происходит в две стадии.

Усадка, связанная с первой ступенью, вполне может быть компенсирована расширением, которое имеет место во время второй ступени, и поэтому стояк может не понадобиться. Чтобы гарантировать, что стояк не затвердеет перед отливкой, мы должны иметь представление о времени, которое требуется отливке для затвердевания.

Более того, размещение (расположение) стояка может быть разумно выбрано, если доступна оценка времени, необходимого для затвердевания отливки на определенном расстоянии от лицевой поверхности формы.

Тепло, отбрасываемое жидким металлом, рассеивается через стенку кристаллизатора. Тепло, выделяющееся в результате охлаждения и затвердевания жидкого металла, проходит через разные слои. Распределение температуры в этих слоях в любой момент схематично показано на рис. 2.19.

Тепловые сопротивления, которые определяют весь процесс затвердевания, - это сопротивление жидкости, затвердевшего металла, поверхности раздела металл-форма, формы и окружающего воздуха. Эти пять различных регионов обозначены цифрами от 1 до 5 на рис. 2.19. Процесс затвердевания довольно сложен, особенно если учесть сложную геометрию, замерзание сплавов или температурную зависимость термических свойств.

Ниже мы обсудим затвердевание чистых металлов в некоторых случаях, представляющих практический интерес. При этом, в зависимости от ситуации, мы будем делать упрощающие предположения, чтобы пренебречь тепловым сопротивлением одной или нескольких областей, показанных на рис. 2.19.

---

3. Затвердевание крупной отливки в изоляционной форме:

Во время затвердевания большой отливки в изолирующей форме, такой как та, которая используется при литье из песка или по выплавляемым моделям, почти все тепловое сопротивление обеспечивается формой. Следовательно, в приведенном нами анализе время замерзания рассчитывается с учетом только теплового сопротивления области 2 (рис. 2.19).

Рассмотрим поверхность формы AB, показанную на рис. 2.20. Большая форма, первоначально при температуре θ ₀ , предполагается, что она продолжается до бесконечности в направлении оси x.

В момент времени t =0 жидкий металл при температуре θ _p заливается в форму. Мы также предполагаем, что металл, непосредственно контактирующий с лицевой стороной формы, мгновенно затвердевает. Другими словами, температура поверхности формы повышается до θ _f (температура замерзания металла) при t =0 и поддерживается на этом значении до завершения затвердевания. Распределение температуры внутри кассы в последующий момент времени t (предполагая одномерную теплопроводность в направлении x) для такого случая определяется выражением

Следует отметить, что приведенный выше анализ предполагает наличие плоской границы раздела металл-форма AB, которая обычно не встречается в инженерной практике. Часто нам требуется узнать время застывания сложных контуров.

Для таких контуров все, что нам нужно сделать, это наблюдать (без каких-либо точных расчетов) следующие основные характеристики, чтобы знать, не занижает ли проведенный нами анализ фактическое время замораживания или переоценивает его. Чтобы наблюдать эти особенности, мы рассматриваем три типа поверхностей раздела металл-форма (см. Рис. 2.21), а именно:(i) выпуклый, (ii) плоский (используемый в нашем анализе) и (iii) вогнутый.

На рис. 2.21a тепловой поток более расходящийся, и, следовательно, скорость несколько больше, чем на рис. 2.21b. Таким образом, время замораживания в таком случае завышено в результате проведенного анализа. Аналогично, на рис. 2.21c тепловой поток более сходящийся, и, следовательно, скорость несколько меньше, чем на рис. 2.21b. Таким образом, время замораживания в таком случае занижается проведенным нами анализом.

Количественные результаты влияния границы раздела форма-литье на время застывания могут быть получены для некоторых основных форм. Прежде чем мы приведем эти результаты, мы определим два безразмерных параметра, а именно -

---

4. Затвердевание с преобладающим сопротивлением поверхности раздела:

В некоторых распространенных процессах литья тепловой поток в значительной степени контролируется термическим сопротивлением поверхности раздела кристаллизатор с металлом. Эти процессы включают непрерывное литье в формы и литье под давлением.

Условие отсутствия контактного сопротивления существует только тогда, когда контакт формы с металлом настолько тесный, что происходит идеальное смачивание, то есть отливка спаивается с лицевой стороной формы. В таком случае распределение температуры без перегрева будет таким, как показано на рис. 2.23. Мы снова рассматриваем задачу об одномерном тепловом потоке.

Уравнение (2.44) полезно для оценки времени затвердевания небольших тонких деталей, отлитых в литейной форме из тяжелого металла, которая используется при литье в штамп или постоянной форме.

На этом этапе можно отметить, что помимо сопротивления поверхности раздела, которое мы обсуждали, существуют значительные различия между процессом затвердевания в песчаной форме и в кокильной или металлической форме.

Мы указываем здесь два важных отличия последнего от первого:

(i) Теплопроводность затвердевшего металла может обеспечивать значительное термическое сопротивление, как показано областью 4 на рис. 2.19. Из-за этого температура поверхности отливки (θ _s ), как видно, становится намного ниже температуры замерзания θ _f .

(ii) Из-за переохлаждения затвердевшего металла необходимо отвести больше тепла, чем предполагалось. Таким образом, теплоемкость затвердевающего металла также играет важную роль в скорости затвердевания.

---

5. Затвердевание при постоянной температуре поверхности отливки:

Если большая отливка в форме плиты (например, из стали) производится в тонкой форме с водяным охлаждением, сделанной из металла (скажем, меди), имеющего гораздо более высокую проводимость, чем затвердевшая отливка, то термическое сопротивление обеспечивается за счет сам затвердевающий металл имеет значение. В таком случае преобладающее тепловое сопротивление обеспечивает область 4 (см. Рис. 2.19).

Если пренебречь термическими сопротивлениями всех остальных областей, распределение температуры в любой момент принимает форму, показанную на рис. 2.24. Здесь температура поверхности раздела кристаллизатор с металлом (или поверхности отливки) θ _S можно предположить, что оно остается постоянным при своем начальном значении θ ₀ , и θ _f указывает температуру замерзания металла, которая также принимается за температуру разливки.

В любой момент t δ (t) указывает глубину затвердевания. Этот процесс можно без особой ошибки идеализировать как одномерный. Следовательно, время затвердевания t _s получается из δ (t _s ) =h / 2, где h - толщина отливаемой плиты. Температурный профиль в диапазоне 0

Этот анализ действителен только после завершения начальной стадии затвердевания (0,5-1 см). Аналогичные результаты для времени затвердевания других форм можно найти в доступной литературе.

---

6. Затвердевание с преобладающим сопротивлением в форме и затвердевшем металле:

Медная форма довольно толстая и не имеет водяного охлаждения. Затем температура границы раздела форма-металл θ _S больше нельзя предположить, что он остается на своем начальном значении θ ₀ . Значение θ _S , которая все еще считается постоянной, определяется тепловыми свойствами формы и затвердевшего металла.

Более того, после начальной стадии затвердевания сопротивление интерфейса также становится незначительным. Таким образом, единственное значительное тепловое сопротивление оказывают области 2 и 4 (рис. 2.19), и результирующее распределение температуры в любой момент времени будет таким, как показано на рис. 2.25. Предполагая, что пресс-форма представляет собой полубесконечную среду в отрицательном направлении оси x, распределение температуры в пресс-форме составляет

Теперь левая часть и ɸ в уравнении (2.62) известны; Итак, ζ можно определить либо графически, либо методом проб и ошибок. В первом подходе график ζe ^ζ2 [erf (ζ) + ɸ] в зависимости от ζ должно быть построено для данного значения ɸ, и затем ζ может быть решено относительно с известным значением левой части уравнения (2.62). Как только ζ известно, глубину затвердевания можно рассчитать по уравнению (2.47), а время затвердевания - по уравнению (2.52). Чтобы такое преобразование было осуществимо, необходимо обеспечить, чтобы θ _S оказывается ниже точки плавления металла формы.

---