Способ изготовления отливок Советский патент 1992 года по МПК B22D27/00 B22D13/00 

Изобретение относится к литейному производству, конкретно, к производству отливок из сплавов, обладающих значительной ликвацией по плотности, возникающей вследствие происходящего еще до начала общей кристаллизации охлаждаемого расплава выпадения из последнего твердых, жидких либо газообразных фаз резко отличающихся по плотности от остающегося жидкого раствора У некоторых сплавов такого рода, к которым относятся например, сплавы алюминия или цинка со свинцом, при содержании последнего больше 1%, по указанной причине даже при самых высоких

скоростях охлаждения не удается достигнуть равномерного распределения свинца по объему слитка. При содержании в таких сплавах более 5% свинца, эмульсия свинца, возникающая в процессе их охлаждения, полностью распадается, и свинец сосредотачивается сплошной массой в нижней части слитка.

Описываемый способ обеспечивает стабилизацию дисперсных систем, возникающих на первой стадии охлаждения рассматриваемых слитков, когда начинается выпадение из расплава дисперсной фазы, позволяя тем самым сохранить их

ч 00 О О Ю

однородность, а также возможность получений сплавов, которые по указанным прими-. нам не могут быть изготовлены в . промышленных условиях, Способ включает получение однофазйбго жидкого расплава, заливку его в форму и охлаждение полностью залитой и герметически закрытой формы при ее равномерном вращении вокруг горизонтальной оси, проходящей через центр тяжести расплава. : ;:-;;,::Д.. , : Вертикальное перемещение Диспергированных в расплаве частиц, происходящее под влиянием ускорения силы тяжести в неподвижной форме, при этом преобразуется в бтносйтелШбёнб отношению к расплаву перемещение таких частиц, по круговым траекториям, в плоскости, перпендикулярной оси вращения формы.

Рассматриваемая трансформация дви- жения взвешенных частиц поясняется схемой/ .:- --- - - -:- . :-.,.:.

Введем следующие обозначения:

р-угол поворота поперечного сечения формы вокруг горизонтальной оси, проходящей через центр тяжести расплава;

g - ускорение силы тяжести;

gr g радиальная составляющая

ЭТОГО ускорения: «-г;;,; :. ....;

. , . gt g sin -тангенциальная составляющая; .,.-,-.... .. R - радиусокружности. ;.... . На чёртёже показана сплошной линией, Йпис1 1ваемой точкой, жестко закрепленной с торцовой поверхностью формы в крайнем, верхнем положении при р 0. Окружность, Ь п ь|ёаемая..звеи1еннрй;дастицей находящейсяпри этЪм на таком же расстоянии of центра вращения показана пунктирной линией .

п - частота вращения формы; об/мин; г- время, с;

СУ- частота вращения 1 /с, ft) Ц

V

Sr - текущее перемещение частицы в радиальном направлении;

St - текущее отклонение частицы в тангенциальном направлении;.,,, ..„.,.. мЈ.к симальнре отклонение частицы в каждом из этих направлений;

рд.ф и Рд.с плотность дисперсной фазы и дисперсной среды, г/м;

jU - коэффициент динамической вязкр,Н.СЧ - ...:; ,сти расплава в паузах f-s-);

.- . .й-Ьд Щ О-; -.. М4 йл;-и е г.Н.-. ..

v г-радиус дисперсной частицы, в м; F-сила, действующая на частицу, Н

.-j-tiiiH-ftiv ;.-: iif;/iu; ,;; :T-ff ;-.j /гхйй-дг -кх .;.%.

, F (рд;ф -рд.с)Фгг3д ; -й--- - ;

U - скорость седиментации частицы, определяемая в соответствии с законом Сто- кса

U

F Оодф-/Рдс) i пр. г6 жц г

10

2(рДф 3 /i

а - центробежное ускорение, возникающее во взвешенных частицах при вращении формы,

а- число процентов объема сплава, в

котором допускается нарушение кругового движения частиц.

При изменении угла # отОдол дисперсная частица fig наряду с вращением совместно с дисперсной средой, под влиянием радиальной составляющей ускорения силы тяжести, перемещается по отношению к окружающему расплаву в радиальном направлении под влиянием тангенциальной составляющей этого ускорения - в кольцевом направлении. Скорость этих перемещений равна соответствующим составляющим скорости седиментации частиц Ur и Ut.

При изменении угла рОТт доя расстояние частицы от центра вращения формы увеличивается и при р jrдостигает исходной величины R. При дальнейшем росте этого угла до рассматриваемое расстояние продолжает увеличиваться и

3

при ф--пП достигает своего максимального значения. Наконец при изменении

р от 3/2 п до 2я частица вновь приближа- етбя к центру и при 2яэто расстояние становится снова равным величине R, а частица занимает свое исходное положение. Относительное перемещение частицы в

кольцевом направлении при изменении угла от О до к совпадает с направлением дви- .ясения Формы, при изменении угла от я.др 2InбШз направлено в противоположном направлении. В результате, при р 2я иугловая: координата частицы приобретает Свое исходное значение.

Элементарное перемещение частиц в каждом из рассматриваемых направлений равно произведению текущей скорости перемещения и элементарного времени: dSr U cos pdr

dSt U sin и d r .

OQ Заменяя здесь dr - d p получим;

iii I

30 dSr U cos (p-rr-d /,

JL I I

on dSt U sin .

После интегрирования последних двух уравнений в пределах угла f от 0 до -п,

возведения обоих частей каждого уравнения в квадрат и сложения левых и правых частей полученных уравнений, найдем уравнение относительного движения взвешенных частиц в дисперсной среде:

S + (9,55)2.

Отсюда следует, что взвешенные частицы в рассматриваемых условиях совершают относительные по отношению к расплаву перемещения по окружности, радиус которой равен S 9,55 -. При этом период

полного оборота частицы совпадает с соответствующим периодом вращения формы, а положение центров, вокруг которых вращаются взвешенные частицы, не изменяются под влиянием ускорения силы тяжести. В результате полностью прекращается влияние ускорения силы тяжести на ликвацию взвешенных частиц по плотности, возникающее в неподвижной форме Вместе с тем рассматриваемые частицы совместно со своими центрами вращения перемещаются в расплаве в радиальном направлении под влиянием возникающего при вращении формы центробежного ускорения. При достаточно малой величине центробежного ускорения скорость вызываемой им ликвации сплавов по плотности может быть снижена на несколько порядков по сравнению с возникающей в неподвижной форме под влиянием ускорения силы тяжести. Эффективность рассматриваемого способа может быть оценена по величине коэффи. ац

циента i - равного отношению центробежного ускорения к ускорению силы тяжести.

Величина возникающего в частицах центробежного ускорения определяется угловой скоростью вращения формы и расстоянием частицы от центра вращения формы. Последнее изменяется от своего минимального значения (R - S) при tp п до макси3

мального{ 5)приу5 и При дальнейшем

5

увеличении угла до р rj л, радиус вращения частицы снова снизится до величин (R - S). Средний размер радиуса вращения взвешенной частицы при его изменении от минимального до максимального значения равен:

0

5

0

5

Ут

R.

R-/

т

ЗС

Следовательно средняя величина радиуса вращения частицы вокруг оси формы, необходимая для определения возникающего в ней центробежного ускорения, равна радиусу окружности, описываемой центром относительного вращения этой частицы.

Число оборотов формы п выбирается таким образом, чтобы оно было не больше максимального значения , превышение которого приведет к завышению принятого показателя I и не меньше минимального значения пмин. при котором в заданном объеме слитка вблизи оси вращения линейная скорость вращения расплава не окажется меньше скорости седиментации частиц, и таким образом, в нем нарушается круговое движение частиц совместно с расплавом. Отсюда:

пмакс V 900lg 29,9

макс

пмин 9,55

у б.ЗТСодф -Ajgjfo

уД йакс/ЙГ

макс

100

100

Примем для примера радиус формы,

равным Вмакс 0,04 м и скорость седиментации частиц U м/сек. Для определения минимального числа оборотов формы примем коэффициент а 1, для максимального коэффициента 1 0.1. В этом случае при

максимальном числе оборотов пмакс 47,27 об/мин радиус вращения частиц вокруг своего центра S 2,09 м, коэффициент сг 2,67 . При минимальном числе оборотов п 2,39 об/мин, радиус вращения частиц5 4..

Таким образом, в рассматриваемом случае при переходе от минимально допустимой частоты вращения формы к максимальной, число оборотов увеличивается в 19,3 раза, во столько же раз снижается радиус S вращения взвешенных частиц вокруг своего центра. Коэффициент а снижается обратно пропорционально квадрату частоты вращения формы п, в нашем случае

при максимально допустимой частоте, «снижается по сравнению с минимальной в 392 раза. Во столько же раз уменьшается объем расплава, в котором нарушается круговое перемещение взвешенных частиц.

Коэффициент i наоборот увеличивается с ростом частоты вращения формы пропорционально ее квадрату и при п пмакс возрастает в 392 раза. В результате, при этом резко повышается величина возникающего центробежного уско- рения и, таким образом, снижается эффективность способа. В нашем примере при п Пмэкс I 0,1 и, следовательно, ацв 10/ раз меньше ускорения силы тяжести. При п п мин I 2,55, величина установится в 3925 раз меньше ускорения силы тяжести в пределах величины п от пмй до nMwc расположен большой диапазон частот, который может быть использован для конкретных условий осуществления способа. С увеличением поперечных размеров формы и скорости се диментации частиц этого диапазон снижается

Формула изобретения Способ изготовления отливок из сплавов, обладающих значительной ликвацией по плотности, возникающей вследствие выпадения из охлаждаемого расплава еще до начала его общей кристаллизации дисперсных частиц твердых, жидких либо газообразных фаз, отличающихся по плотности от остающегося расплава, включающий получение однородного жидкого расплава, заливку его в литейную форму и охлаждение при ее равномерном вращении вокруг гори0

зонтальной оси, отличающийся тем, что, с целью получения более однородных отливок за счет снижения ликвации сплавов,-охлаждение полностью залитой и герметически закрытой литейной формы производят при частоте ее вращения, которая не должна выходить за предельные значения Пмин и Пмакс, определяемые из математических выражений

6,37(рд.ф к,

Пмин , 1-77% - Об/МИН,

|

IBo

Пмакс 29.9 1,. обУмин, Кмакс

где/Одф ирдс - плотность дисперсной фазы и дисперсионной среды, кг/м3;

г - радиус дисперсных частиц, м: /и- коэффициент динамической вязкости расплава в паузах, Н-с/м2;

g - ускорение силы тяжести, м/с2;

а - относительный объем расплава вблизи оси вращения, в котором может быть допущено нарушение создаваемого кругового движения взвешенных частиц, %;

Вмакс - расстояние от оси вращения до наиболее отдаленных от нее обьемов расплава, м; f I - коэффициент.

Использование в литейном производстве при изготовлении отливок из сплавов, обладающих значительной ликвацией по плотности, возникающей вследствие происходящего еще до начала общей кристаллизации охлаждаемого расплава выпадения из него твердых, жидких либо газообразных дисперсных фаз, резко отличающихся по плотности от остающейся жидкой фазы. Сущность изобретения способ включает заливку однородного жидкого расплава в литейную форму и кристаллизацию при ее равномерном вращении вокруг горизонтальной оси, при этом охлаждение полностью залитой и герметически закрытой формы производят при частоте ее вращения, которая не должна выходить за предельные значения пМИн и УМЭКС. определяемые из выражений: Пмии-6 37 Об/НИИ. ибо 9 46 Пмакс об/МИН, где /Од ф и /Эд с - плотность дисперсной фазы и дисперсной среды, кг/м3; г - пэдиус дисперсных частиц, м; ц- коэффициент динамической вязкости расплава.П (Н-с/м ); g - ускорение силы тяжести, м/с ; а- относительный объем расплава вблизи оси вращения, в котором может быть допущено нарушение создаваемого кругового движения взвешенных частиц, %; R - расстояние от оси вращения до наиболее отдаленных от нее объемов расплава, м. 1 ил.