CC BY
20
УДК 669.017:669.131
Дан Л.А.
КИНЕТИКА ЗАТВЕРДЕВАНИЯ РАСПЛАВА ЧУГУНА НА ПОВЕРХНОСТИ ВНУТРЕННЕЙ ВСТАВКИ-ХОЛОДИЛЬНИКА
Из литературы и практического опыта рада предприятий известно, что внутренние вставки - холодильники, как расплавляемые, так и нерасплавляемые, способствуют измельчению структуры отливок и слитков, улучшению комплекса механических свойств металла [1].
Положительный эффект от применения внутренних вставок-холодильников связывают как с увеличением переохлаждения объема расплава [2], так и с изменением характера кристаллизации жидкого металла у поверхности твердой вставки [3].
Целью настоящей работы было изучение кинетики затвердевания чугуна отливки у поверхности внутренней стальной вставки - холодильника.
Опыты проводили в лаборатории литейного производства ПГТУ. В сырые песчаногли-нистые формы отлили пробные цилиндрические отливки диаметром 80 мм, высотой 240 мм, массой 8,7 кг. Химический состав чугуна, % мае.: С - 3,4; 81 - 2,1; Мп - 0,43; Р - 0,083; Б - 0,097. Углеродный эквивалент ( С + 1/3 ) чугуна был ~ 4,1 % мае.
Все отливки залили сифоном от одного стояка. Одна отливка была контрольной, в остальные, вдоль вертикальной оси, в верхнюю часть формы, на специальном креплении устанавливали внутренние холодильники длиной 80 мм из малоуглеродистой стали. Диаметр холодильников-вставок, с1, в трех отливках был 4 мм, в трех других - 8 мм. Температура расплава в ковше перед заливкой форм была ~ 1250 °С.
Пробные отливки разрезали на поперечные темплеты. Металлографические шлифы, изготовленные из темплетов, травили в 3% спиртовом растворе Ю"Ю3 и исследовали под мик-роскопомЖИМ
Как и в работе [3], в отливке у поверхности вставки наблюдали участок чугуна с мелкодисперсной перлитной матрицей. Ширина этого участка в наших опытах была 0,20 - 0,25 мм. Структура контрольной отливки и опытных вдали от вставки - серый ферритоперлитный чугун.,
Объяснение наблюдаемому явлению может быть найдено при рассмотрении константы кристаллизации„К, жидкого чугуна на поверхности стальной вставки-холодильника.
Предваряя расчет величины К, следует учесть, что масса вставки-холодильника ( 0,34 и 0,85 % массы отливки для вставок диаметром 4 и 8 мм, соответственно), указывает на то, что основное количество металла отливки кристаллизуется при тепловом взаимодействии расплава с поверхностью формы.
При расчете коэффициента затвердевания металла отливки на холодильнике воспользовались зависимостью, приведенной автором работы [4]:
где X - коэффициент теплопроводности металла вставки-холодильника, Дж/см с град;
Рт и рж - плотность чугуна отливки в твердом и жидком состоянии, соответственно,
г/см3;
Сг - удельная теплоемкость твердого чугуна отливки, Дж/г град;
(1)
- температура кристаллизации (средняя между температурой ликвидуса и солидуса ),
1вст - температура вставки- холодильника к моменту начала кристаллизации отливки, "С. Для вычисления величины 1ВСТ составили уравнение теплового баланса:
Qoxл = ОвСТэ (2)
где Ршш и рви - соответственно, тепло выделившееся при остывании расплава от температуры заливки, 1«, до ^ и тепло поглащенное вставкой при нагреве от 20 °С до ^ .
= т^-^), (3)
Овст ~ Свст Швст. ( ^вст - 20 ), (4)
где Сж и С вст - теплоемкость расплава и металла вставки, соответственно, Дж/г град;
ш и Швст - масса расплава вокруг холодильника и вставки, соответственно, г. Решили уравнение ( 2 ) с учетом ( 3 ) и ( 4 ) относительно
Цс т~'
Сжт(г3 rtKp)
+ 20 .
(5)
^ ВС 1® ВС Т
При вычислении 1»„иКв уравнениях ( 1 ) и ( 5 ) использовали следующие числовые значения величин [ 5 ]:
% да 0,23 Дж/см с град; рт = 7,2 г/см3; рж = 6,9 г/см3; Ь = 271,7 Дж/г; Сж = 0,557 Дж/г град; Ст = 0,595 Дж/г град. ,
Расчет по формулам ( 5 ) и (1) провели как по опытным данным настоящей работы, так и по данным работы [ 3 ]. Результаты вычислений приведены ниже: ^/С 34,7 31,7 30,7 29,0 28,0
К, см/с1/2 0,336
0,337 0,337
0,338
0,338
На рисунке показана зависимость коэффициента затвердевания чугуна от температуры вставки-холодильника. На график нанесены точки полученные при обработке данных работы [6]. В работе [6] расплавленный чугун, имевший Сэ« 4 % мае., заливали на металлическую заготовку нагретую до 700, 800, 900, 1100, 1150 °С . Из рисунка видно, что увеличение температуры внутренней вставки-холодильника с ~ 30 до 1150 °Р приводит к уменьшению константы кристаллизации чугуна на ее поверхности с 0,337 до 0,073 см/с1/2, т.е. примерно в 4,6 раза.
К, cm/cIQ
Участок а К, си/с»
0,338
0,337
0,336
0 200 400 600 800 1000tBCI.°C 28 30 32 341 оС
Рис. Зависимость коэффициента затвердевания расплава чугуна на поверхности твердой вставки от ее температуры • - данные автора [3]; ■ - данные авторов [б]; о - данные настоящего исследования.
Коэффициент кристаллизации чугуна отливки на поверхности внутренней вставки-
холодильника зависит от ее температуры: при увеличении температуры с 30 до 1150 °С его величина уменьшается с 0,337 до 0,073 см/с1/2
Перечень ссылок
1. О некоторых возможностях измельчения зерна металла отливки при внешнем воздействии на затвердевающий металл./ Скребцов А. М., Дан Л. А., Секачев А. О.,Прокопов А. А. //Металл и литьё Украины. -1996, № 1-2.-С.30-34.
2. Скребцов А.М., Игнатов А.И., Павлюк Б.А. О переохлаждении расплавленного металла при использовании внутренних расплавляемых кристаллизаторов // Известия ВУЗов. Чер.Мет,-1993,-№9,- С.78-79.
3. Дан Л.А. Изменение структуры стальных армирующих вставок залитых в тело чугунных
отливок//Вестник ПГТУ : Сб. науч. тр. Вып.З. - Мариуполь, 1997. - С.67-69.
4. Гуляев ББ. Теория литейных процессов,- JL: Машиностроение, 1976. - 216 с.
5. Вейник А.И. Теория затвердевания отливки. - М.. Машгиз, 1960. - 435 с.
6. Скребцов A.M., Дан Л.А., Павлюк Б.А. Формирование переход ной зоны в литом биметалле на основе чугунов различных составов // Теория и практ- тика процессов получения биметаллических и многослойных отливок: (Сб. науч. тр./ АН УССР. Ин-т проблем литья). - Киев, 1987. -С.31-35.
7. Получения биметаллических и многослойных отливок: (Сб. науч. тр./ АН УССР. Ин-т проблем литья). - Киев, 1987. - С.31-35.
