Содержание к диссертации
Введение
1 . Факторы управления структурой кольцевых деталей - тел вращения при центробежном литье 8
Влияние условий кристаллизации на размер зерен отливок 8
1.2. Влияние центробежного литья на формирование структуры 18
1.2.1. Влияние динамического воздействия на кристаллизацию центробежных отливок при литье с горизонтальной осьювращения 21
1.2.2. Относительное движение жидкости при вращении формы вокруг горизонтальной оси с постоянной скоростью . 23
1.3. Центробежно-планетарный способ литья 27
1.3.1. Конструктивные особенности ЦП установок 29
1.4. Факторы, влияющие на структурообразование при литье б абб ита 33
1.1.3. Влияние температуры на формирование структуры баббита Б83 36
Цель и задачи работы 36
2. Методика исследования процессов центробежно-планетарного (ЦП) литья 37
2.1. Лабораторные литейные установки. 37
2.1.1. Установка ЦПЛ с клиноременной передачей 37
2.2. Установка ЦПЛ с зубчатой планетарной передачей 40
2.3. Предварительный анализ процесса движения жидкости в ЦП форме 42
2.4. Методы изучения гидравлических и металлургических особенностей ЦП процесса литья 45
Выводы 49
3. Гидродинамический анализ процессов движения жидкости в планетарно вращающейся форме 51
3.1. Анализ состояния жидкости при отсутствии захвата её формой 51
3.2. Расчет свободной поверхности жидкости при захвате во вращение ЦП формой 55
3.2.1 . Постановка задачи и вывод основных дифференциальных уравнений , 56
3.2.2.Преобразование дифференциальных уравнений и граничных условий 59
3.2.3.Решение и анализ уравнений 65
Выводы 69
4. Анализ гидравлических особенностей центробежно планетарного литья
4.1. Анализ вовлечения жидкости во вращение в планетарной форме 71
4.2. Анализ вариантов движения жидкости в ЦП форме 76
4.3. Определение средней относительной скорости движения жидкости 81
4.4. Связи между вариантами движения жидкости в планетарной форме 82
4.5. Выбор режимов вращения ЦП формы 85
Выводы 88
5. Исследование отливок из сплава Б83, полученных центробежно-планетарным литьем 90
5.1. Изучение процесса ЦПЛ при получении отливок из баббита Б83 90
5.2. Мощность, потребляемая при ЦП литье 93
5.3. Анализ параметров затвердевания отливки 97
5.4. Анализ влияния режимов ЦПЛ на микроструктуру отливок из сплава Б83 101
5.5. Влияние изменения скорости движения расплава в форме на структурообразование 109
5.6. Механизм измельчения фазы SnSb в баббите Б83 при ЦПЛ 110
5.7. Диаграмма структур баббита Б83
в поле режимов работы ЦПЛ 112
5.8. Рекомендации по практическому использованию
результатов исследований. 114
5.8.1. Рекомендации по применению ЦПЛ при производстве баббитовых подшипников 114
5.8.2. Последовательность разработки технологии при ЦПЛ баббита Б83 115.
5.8.3. Выбор электродвигателя для машины ЦПЛ 117
5.9. Практическое использование результатов работы 122
Выводы 123
Заключение 123
Литература
- Относительное движение жидкости при вращении формы вокруг горизонтальной оси с постоянной скоростью
- Предварительный анализ процесса движения жидкости в ЦП форме
- Постановка задачи и вывод основных дифференциальных уравнений
- Связи между вариантами движения жидкости в планетарной форме
Относительное движение жидкости при вращении формы вокруг горизонтальной оси с постоянной скоростью
Для расширения диапазона возможностей лабораторной установки ЦПЛ по заданию величин К№ и Кг удобно использовать двухступенчатую передачу со сменными шкивами и изменяемым го - расстоянием между осями вращения водила и формы [50], разработанную в РГАТА.
Перспективы ЦПЛ по созданию больших относительных скоростей v при движении расплава в форме очевидны, т.к. скорость движения материалов в рабочей камере зависит от разности скоростей вращения водила и рабочей камеры (формы) и радиуса камеры [54]: Vcp=(cGo+i)i i- Отсюда уже при (coo+coi) = 50 рад/с и Гі=0,1м может быть получена относительная скорость подвижного материала в форме до 5 м/с, что при толщине слоя расплава 5 = 0,02 м и его кинематической вязкости 10" м/с создает течение потока с критерием Re =105 - заведомо турбулентное, с интенсивным воздействием на процесс структурообразования отливки. В настоящей работе развиваются вопросы техники и технологии ЦДЛ.
Однако реально влияние этих факторов на процессы структурообразования отливок не определено. Не было спроектировано и изготовлено установок для ЦДЛ, не выполнен теоретический и экспериментальный анализ возможностей метода литья. В качестве материала отливки для изучения процессов структурообразования при ЦПЛ принят оловянистый баббит Б83, в котором возникает брак по несовершенству структуры.
Достаточно высокими эксплуатационными качествами обладает оловянистый баббит марки Б83 [28], мягкой основой которого является а - твёрдый раствор сурьмы в олове [65] (рис.12), а твёрдыми кристаллами - фаза (3, твёрдый раствор на базе химического соединения SnSb, формирующегося в виде кубических кристаллов (рис. 13).
Медь вводится в состав баббита для устранения ликвации по удельному весу соединения SnSb и образует химическое соединение Cu3Sn, которое кристаллизуется первым - в виде разветвлённых дендритов, пронизывающих жидкий сплав, на которых оседают кристаллы соединения SnSb. Кроме того, кристаллы CusSn образуют в баббите мелкие твёрдые включения, благоприятные для свойств вкладыша (рис.13). На рис.13 показана микроструктура оловянистого баббита Б83. Тёмное поле представляет собой пластичную матрицу, состоящую из а - твёрдого раствора; твёрдые светлые кристаллы (кубики) являются соединениями SnSb (50,4% Sb) и кристаллы в виде звёздочек являются соединениями Cu3Sn, которые отличается ещё большей твёрдостью, чем кристаллы SnSb. Кристаллы SnSb и Cu3Sn образуют выступающие участки вкладыша подшипника, они и поддерживают вращающийся вал.
Пластичная и мягкая матрица а - твёрдого раствора баббита легко прирабатывается к трущейся поверхности вала; кроме того, она более легко истирается, образуя между кристаллами микроканалы. Баббит Б83, содержащий большое количество дорогостоящего олова, применяется только для заливки подшипников и вкладышей машин большой мощности, например, паровых и газовых турбин, мощных энергоустановок, турбокомпрессоров, турбонасосов и т.д.
Температура плавления оловянистых баббитов колеблется в пределах 180-240 и выше. 5 10 15 20 Содержание Sb,% Рис.13. Структура баббита Б83 (хЮО) Рис. 12.Диаграмма состояния Sn - Sb Практика получения вкладышей подшипников из баббита Б83 на заводе ОАО «НПО «Сатурн» методом стационарного литья показывает, что выявляется брак по размерам включений фазы SnSb, а также по ликвации. Требуемый размер зерна фазы SnSb не должен превышать 0,14 мм. При больших размерах кристаллов твердой фазы увеличивается трение в подшипнике, ускоряется его износ. Замена подшипника в газотурбинной установке весьма трудоемка. Поэтому измельчение структуры обеспечивает [72] увеличение срока службы и снижение трудозатрат.
Анализ производственных данных по качеству подшипников скольжения показывает, что при получении отливок этот размер достигает 0,4 мм. Т.о., проблема управления структурообразованием при литье баббитов является актуальной.
Центробежная заливка баббитом подшипников скольжения в сравнении со стационарным литьем позволяет решить ряд литейных проблем: улучшается питание, предупреждается пористость отливки; улучшается сцепление баббита со стальной основой подшипника, сокращается расход баббита, улучшаются структура и эсплуатационные свойства изделий [72]. Принятая в промышленности технология центробежного литья баббита на машинах с горизонтальной осью вращения накладывает ряд ограничений на номенклатуру отливок (по габаритам, массе) и создает вероятность образования дефектов литья - ликвацию и слоистость баббита [20, 72]. Особые затруднения возникают при заливке крупногабаритных подшипников - диаметром более 400мм, а также при устранении ликвации CU3S11 и крупных кристаллов SnSb (например, снижением температуры литья) т. к. здесь происходит смыв полуды и расслоения отливки. Литьё баббита на машинах с вертикальной осью вращения является более рациональным ввиду следующих достоинств [42]: упрощается конструкция формы, её крепление и съем, расширяются технологические режимы по расходу металла при заливке и по температурам металла и формы, исключается брак по расслоению [38, 59]. Здесь при большом отношении диаметра подшипника к ширине (более 2) конусность внутренней поверхности отливки незначительна, особенно при высоких скоростях вращения формы. Однако литературных данных по центробежному литью баббита на машинах с вертикальной осью вращения не обнаружено.
Предварительный анализ процесса движения жидкости в ЦП форме
С учетом полученных в гл. 4 результатов по изучению процессов структурообразования при ЦПЛ создана установка для использования в производстве, представленная на рис. 17. Она позволяет передать форме мощность в несколько раз большую, чем установка с клиноременной передачей. Здесь на неподвижной раме 1 закреплены электродвигатель постоянного тока 2 и планшайбой 3 зубчатый ЙЙШЙрйяй редуктор состоящий из двух половин 4 и 5, которые могут иметь относительное перемещение вокруг общей оси 6. Диаметры зубчатых колес в редукторе подобраны так, что редуктор является обращаемым, с передаточным числом і = - 0,5 и + 0,5, что соответствует Кш = - 1,37 и - 0,73. Расстояние (г0) между осями вращения изменяется в пределах от 0 до 130мм. Изменение г0 здесь производится взаимным перемещением верхней половины 13 \ \ \ \ \6 S) редуктора 5 и нижней 4 по плоскости их соединения поворотом относительно ромежуточной оси 6. На выходной оси редуктора закреплена планшайба 7 для крепления формы 8. Обращение Kffl с -1,5 на -0,5 реализуется поворотом редуктора сверху вниз на 180. При этом планшайба 7 крепит редуктор к раме, а 3 - используется для крепления формы. Форма закрывается крышкой 9 и в неё заливается металл 10. Двигатель посредством шкива ременной передачи приводит редуктор во вращение при помощи закрепленного на корпусе редуктора приводного колеса. Стойка 11 служит для натяжения ремня.
Блок питания 12 подает на двигатель напряжение 20 — 220В постоянного тока. Регулировкой напряжения рукояткой 13 изменяется скорость вращения двигателя, которая контролируется тахогенератором. Груз 14 уравновешивает вращающиеся массы. Защитный кожух 15 предупреждает доступ к вращающемуся приводу. Электрическая схема установки аналогична схеме, представленной на рис.15. Технические характеристики установки представлены в таблице 3 .
На установке ЦПЛ с клиноременной передачей проводился анализ процесса движения жидкости в форме при ЦПЛ, а также изучение ЦП -воздействия на кристаллизующийся расплав на легкоплавких сплавах: припое ПОС-30, и на сплаве баббит Б-83.
При анализе процесса движения жидкости в ЦП форме в качестве рабочих жидкостей использовалась вода (v=1,04 10"6 м2/с), водный раствор глицерина (V=5«10"6M2/C) и масло индустриальное №12 (v=46«10 6 м2/с).
Габариты МассаМощность привода Масса формы Скорость вращения водила Величина г0 Величина Кю мкгкВткгоб/минмм 0,9x0,5x0,71300,65до 80-10000-100 -2,6 ...0,6 1,2x0,6x0,7160130 0 - 8000-130 -1,37;-0,73 Здесь была использована форма (рис. 19) диаметром 200 мм и высотой 50мм. Форма 3 закреплялась на валу 1 ЦП машины с использованием шпонки 2 и резьбового соединения (гайки 5). В форму заливалось отмеренное количество жидкости 7, форма закрывалась прозрачной крышкой 4 из полистирола при помощи прижимных резиновых колец 6 и 8. Частоту вращения водила (вала двигателя) изменяли ступенчато от 10 до 100 рад/с с шагом в 5 рад/с. На каждом шаге производилась выдержка для обеспечения установления движения жидкости. Съемка велась при помощи фотоаппарата со вспышкой, закрепленного на неподвижном штативе. Эксперименты проводились с интервалом Кю от -2,6 до 0,6 с шагом в 0,2 и расстоянием между осями симметрии (вращения) формы и водила г0 от 0 до 65мм.
Во время экспериментов устанавливались: положение жидкости в форме, высота волны hB - разница между максимальной и минимальной толщиной слоя жидкости, z - отклонение центра свободной поверхности жидкости от оси симметрии формы, захв - частота вращения водила, при которой происходит захват жидкости во вращение вместе формой, режим движения жидкости (ламинарный, турбулентный). В процессе экспериментов были установлены 3 основных варианта движения жидкости в планетарно вращающейся форме и 3 переходных, представленные на рис. 20.
Фотографии различных вариантов состояния жидкости в ЦП форме: "а" - жидкость вовлечена во вращение, "б" - жидкость не вовлечена во вращение, "в" - хаотическое вихревое движение, "г" - часть жидкости вовлечена во вращение (сочетание вариантов "а" и "б"), "д" - сочетание вариантов "а" и "в", "е" - сочетание вариантов "б" и "в" Основные варианты течения жидкости в ЦП форме характеризуются: 1) Вариант "а" - полное вовлечение во вращение, аналогично центробежному литью возникает при больших центробежных силах, течение жидкости турбулентное. 2) Вариант "б" - нет вовлечения во вращение, жидкость не смачивает часть боковой поверхности формы, образуется при возмущающей силе, сравнимой с центробежной. 3) Вариант "в" - жидкость находится в хаотическом вихревом движении по всему объему формы, образуется при Кш -1, течение жидкости турбулентное . 4) Вариант "г" - сочетание вариантов "а" и "б". 5) Вариант "д" - сочетание вариантов "а" и "в". 6) Вариант "е" - сочетание вариантов "б" и "в". Варианты "г","д", "е" - возникают в случаях попарного сочетания условий существования основных вариантов. Более подробное рассмотрение гидравлических особенностей процесса ЦП литья выполнено в главе 4.
Теоретический анализ гидравлических особенностей процесса ЦП литья выполнялся с применением методов классической гидродинамики, использованных в работах Б. Вилюма [17] и М. Чепиноги [67]. Здесь для более точных решений дифференциальных уравнений применялись решения с применением ПК и программной системы Mathcad 2000.
Анализ свойств залитых отливок и их микроструктур выполнялся с использованием известных методов металлургического анализа, приведенных в работе С.А. Салтыкова [43]. Для структуры баббита наиболее важной характеристикой является размер фазы SnSb, который в данной работе определялся методом определения числа выпуклых микрочастиц в объеме сплава и параметров распределения их размеров по распределению площадей сечений микрочастиц. В каждом исследуемом образце для анализа микроструктуры измеряли не менее 100 зерен. В качестве основного параметра для оценки размеров микрочастиц принимается средняя высота микрочастицы Нср. Для частиц кубической формы (её имеет фаза SnSb) Нср =l,5d, где d - размер ребра куба. Площади сечений микрочастиц разбиваются на 10 размерных групп. Для образования групп используется геометрический ряд, знаменатель которого равен 10" = 0,630969. В каждой размерной группе пределы площадей сечений выбираются в зависимости от наибольшего сечения на микрошлифе F] = d2 /2. Число микрочастиц в единице объема для любой размерной группы Nj = (2,433п; - 0,971п;_1 - 0,27п;. 2 - 0,097пі_з...)/Нсрі , где і - порядковый номер размерной группы микрочастиц, nj - число сечений микрочастиц соответствующей размерной группы на единицу площади шлифа. Выходными данными при анализе микроструктуры являлись: средний размер ребра куба d и среднее квадратичное отклонение o(d).
Микрошлифы образцов отливок из баббита Б83 для выявления микроструктуры были обработаны раствором: соляная кислота 2 см3, хлорное железо 10 г, вода 95 см3.
Анализ сил и ускорений, действующих на частицы жидкости в планетарно движущейся камере, выполнялся с применением средств векторной алгебры, согласно схеме процесса (рис. 21), примененной в работе Серебрякова СП. [54].
Постановка задачи и вывод основных дифференциальных уравнений
Рассмотрим полый цилиндр, вращающийся против часовой стрелки вокруг собственной оси симметрии с постоянной угловой скоростью (рис. 26). Внутренняя полость цилиндра частично заполнена вязкой, тяжелой жидкостью, которая при вращении цилиндра вследствие вязкости расположилась слоем по его внутренней поверхности. Будем рассматривать плоское, абсолютное ламинарное движение жидкости с того момента времени, когда это движение уже
Схема к расчету состояния жидкости, захваченной вращающейся формой можно считать установившимся по отношению к неподвижному основанию. Введем в рассмотрение криволинейную систему координат: внутренний контур цилиндра (рис.26) примем за криволинейную координату x=0N и назначим начало отсчета в нижней точке 0; вторую криволинейную координату y=NM, будем откладывать по радиусу цилиндра и начало отсчета поместим на внутренней поверхности цилиндра. Амплитуда ускорения в камере: ав=0,5сй0 Оо +G I) (г і r0)1/2.
Проекции уравнения Навье-Стокса в цилиндрической системе координат, учитывая, что движение и изменение по оси OZ отсутствуют и задача стационарная, имеют вид : V r : г — — d в — r дг г д@ г р дг , д 1 д . ч ia2vr 2 5ve (25) дг г дг rdQ rz Э0 dv_&_+ va dv& veva , 1 dp дї r 30 r pr 50 , а і э , ч i52va 2 avM (26) dr r Sr r2 50 r dQ Уравнение неразрывности жидкости имеет вид: Id, ч 1 dva Л -(rvr) + --rf-= 0 (27) г or г об v / Положим радиус цилиндра г значительно больше толщины слоя жидкости у. Тогда коэффициенты Ламе в системе координат (х,у) мало отличаются от 1. Положим их равными 1. В этом случае получим дифференциальные уравнения по форме совпадающие с уравнениями в декартовой системе координат : (29) (30) 2 2 5vv 5vv .х 1 dp .д vx д vv ч дх J ду г р дх дх ду dvy dvy х 1 ар d2vy д2уух vx -+vv -= -ав -cos -++v( + r -) дх ду г p ду дх1 ду1 3v dvv дх ду Так как жидкость считаем вязкой, то на внутренней поверхности цилиндра скорость жидкости должна совпадать со скоростью цилиндра. Граничные условия в этом случае имеют вид: vx = (со0 + ю,)г, = v , vy = 0 , при у = 0 . (31)
На свободной поверхности жидкости нормальная составляющая скорости к свободной поверхности должна быть равна 0. Кроме этого, вектор напряжения для площадок, касательных к свободной поверхности, должен быть направлен по нормали к этим площадкам внутрь жидости и по абсолютной величине должен быть равен давлению на свободную поверхность. Отсюда граничные условия на свободной поверхности жидкости имеют вид: Vn = 0 nn =-Po ans =0- (32)
В случае плоскопараллельного движения жидкости удобно ввести в рассмотрение функцию тока уравнение неразрывности (20) при этом удовлетворяется автоматически. Через эту функцию выражаются проекции скорости на оси и все частные производные от этих проекций по координатам. Если обозначить функцию тока через ф = ф(х,у), то система уравнений (28, 30) преобразуется при помощи функции тока к виду: дф д2ф Зф а2ф _ х і dp а3ф эУ . . — — — а в ып v v о т ) ду дхду Эх dyz г Р Зх Эх Эу ду6 Эф а2ф Эф э2ф _ х і эр Э3Ф э3ф _ . —і . .— — ав tub v — - j ду dxz дх дудх г р Эх ах3 Эу2Эх (33)
Из системы уравнений (33) исключим давление р; для этого дифференцируем первое уравнение по у, а второе по х. Вычитая из первого уравнения второе, получим Эфг Э3ф Э3шп Эфг д3(р Э3ф-, —-М—г1—+ —-Н —[ г —+ —-Н = Эу Эу Эх dxJ Эх Эх Эу Эу ав . х ,Э4Ф _ Э4ф Э4фЛ (34 = - -sin — + v ( - + 2 т + ) г г Эх ЭуЭх Эх Граничные условия (31, 32) запишутся для внутренней поверхности цилиндра в виде л Эф Эф л Ф = 0, =0 ,— = сог при у -0, (35) Эх ду а на свободной поверхности жидкости Э2ф л Э2ф Э2ф А Ф = Я = const , -—-—=0 ,— -=0 . (36) ЭхЭу ду2 дх2 Предположим ,что функция тока может быть представлена в виде ряда, разложенного по степеням у с коэффициентами, зависящими от х: Ф = а0(х) + aj(x)y + а2(х)у2 + а3(х)у3 + а4(х)у4 + ... , (37) где ар, аь а2... - периодические функции х. Для нахождения коэффициентов ао и ai подставим функцию ф в граничные условия (35), в результате получим а0 = 0, а, = v. Тогда для функции тока имеем выражение Ф = vy +а2(х)у2 +а3(х)у3 + а4(х)у4 + ... , (38) Подставив (38) в уравнение (34) и, сравнивая коэффициенты при одинаковых степенях у, получим бесконечную систему уравнений. о у 4va2"(x)-2cora2 (x) + 24va4(x) -sin — = 0 (39) г г 6уазм(х)-2а2(х)аз (х)-3а)газ(х) +60va5(x) = 0 , (40) Уравнение (40) служит для определения функции а5. Ограничимся в (40) членами, где у входит в степени не выше четвертой, тогда отпадает необходимость нахождения функции а5 и, чтобы удовлетворить уравнению (34) и граничным условиям (35, 36) с точностью до у , нужно удовлетворить только уравнению (39).
Связи между вариантами движения жидкости в планетарной форме
Выполнен цикл экспериментов по получению отливок из баббита Б83 при различных условиях работы ЦП лабораторной установки, приведенных в табл. 4. В экспериментах использовалась опытная форма согласно рис. 10 с диаметром полости 120мм и высотой 25мм.
Результаты измерений опытных отливок №эксп Условия литья Характеристики отливки СОо рад/с кш кг Kg VCp, см/с Уклонсвободнойповерхности у, Разностен-ность, мм Высота неровностей,мм 3.13.23.43.54.14.24.44.556789 42 94 42 95 84 37 37 94 84 94 31 29 49 -0,65 -0,65-1,35-1,3500-1,77-1,77-1,35-1-1,77-1,77-1,35 12 12 20 2015151212346 1,6 81,4 8,943,28,35,032,26,44,43,43,12 31723895 0 060154130не опре делена277 220 180 3273561711 19 13 141626 4 3 2 0 0 0 0 0 34 3 4 3 2 310,5 0,5 0,5 0,5 34 2 4 Режимы работы ЦП машины выбирались согласно данных, полученных в гл. 4 в области вариантов IV (эксп. 3.1, 3.2), V (эксп. 3.4, 3.5, 4.4, 4.5, 5, 8, 9) течения жидкости. Условия проведения эксп. 7 - на границе V и VI вариантов (толщина отливки равна г0). Эксперименты 4.1 и 4.2 выполнены при Kw = 0, т. е. при условиях центробежного литья с вертикальной осью вращения.
При анализе геометрии полученных отливок (толщина стенки составляла 20±2 мм) выявлено влияние условий литья на положение свободной поверхности и её чистоты, наличие разностенности отливки. Результаты замеров внешних размеров отливок приведены в табл. 4, а внешний вид баббитовых отливок приведен на рис. 40,41. Здесь видно, что при ЦДЛ образуется разностенность отливок, величина которой возрастает при увеличении Го, но не более, чем на 20% от толщины стенки отливки. Основная причина образования разностенности - малое время от момента вовлечения расплава во вращение до момента остановки потока расплава.
На свободной поверхности в ряде случаев образуются наплывы металла. Внешний вид наплывов (неровностей) поверхности показан на рис. 41. Здесь видно, что высота неровностей не более 4 мм, причем в большей мере как разностенность, так и неровности, образуются при отсутствии вовлечения сплава во вращение до полной остановки потока. В случаях вовлечения расплава во вращение до полной остановки потока эксцентриситет и неровности отсутствуют (эксп. № 4.4, 4.5, 3.5).
При увеличении гравитационного коэффициента высота неровностей и эксцентриситет уменьшаются. В случае Кю = - 1 (эксп. № 6) при формировании отливки часть металла образует гранулы диаметром 6 -8 мм, показанные на рис. 42. В этих режимах интенсивное движение расплава при малом Kg создает условия по образованию металлических окатышей.
Отдельно рассмотрим вопрос уклона свободной поверхности отливки относительно оси отливки. Во всех случаях величина угла уклона определялась величиной гравитационного коэффициента от центробежных сил, действующих в расплаве.
Внешний вид баббитовых отливок: слева - эксп. №5, справа - эксп. №7 . Неровности и уклоны на свободной поверхности отливки Известно [72], что свободная поверхность жидкости во вращающейся форме имеет уклон под углом у к оси вращения, величина которого определяется как у = arcctg Kg. В случае полного вовлечения расплава во вращение величина Kg в расплаве соответствует Kg формы (эскп. № 4.4, 4.5, 3.5). При встречном движении расплава относительно формы до остановки потока величина Kg в расплаве уменьшается, что увеличивает величину угла у . Но для целей практики малая величина Kg нецелесообразна ввиду нерационального расхода металла. Рис. 42. Гранулы баббита, полученные в эксп. № 6
При выполнении ряда экспериментов по получению отливок из баббита Б83 была выполнена запись мощности привода. Результаты представлены на рис. 43.
При центробежном литье (эксп. № 4.2) мощность двигателя несколько изменяется ( возрастает на 8 Вт) в момент заливки расплава в форму, этот скачок мощности связан с захватом жидкости формой. В дальнейшем при охлаждении и затвердевании расплава мощность двигателя остается стабильной, т.е. она не зависит от фазового состояния металла.
При ЦДЛ наблюдается существенное повышение потребляемой мощности (в сравнении с центробежным литьем на 50 Вт в эксп. № 7 и на 10Втвэксп.№4.5).
Расчет мощности, потребляемой расплавом, при условии отсутствия твердой фазы и стабильной вязкости жидкости, выполнялся с применением положений гидравлики [9] для расплава массой 1,25 кг, заливаемого в опытную форму с диаметром полости 120 мм и высотой 20 мм. При этом средняя толщина потока металла в форме составляла 20 мм. Форма изготовлена методом токарной обработки со средней высотой неровностей 5 мкм. IіЭксп .№ I I I \ I х -3 ] \ ... , "T_j "7 \, I 4.2 160 140 і- 120 ш «- 100 3 60 о S 40 20 4 6 Время, мин Рис. 43. Изменение мощности привода установки ЦПЛ во времени для разных условий работы
Расчет выполнялся для условия безнапорного турбулентного течения потока жидкости в форме при постоянном гидравлическом уклоне і = б/яг,. (67) Уклон создавался условиями вращения формы. Т.к. в экспериментах установлена однозначная зависимость скорости движения потока v от параметров вращения формы, расчет выполнялся при условии известной v.
Известно, что мощность, потребляемая потоком жидкости, связана с напором и расходом по соотношению: пот N = Q-p-a-H; (68) 2 где: Q - расход жидкости, Q = s-v, s - площадь сечения потока, м . Нпот - величина путевых потерь, определяется по формуле: HnOT=Cv2/(2 a) (69) а - ускорение, действующее на поток, С, - коэффициент путевых потерь напора, величина при известных длине 1 и толщине (глубине) потока d:
Величина коэффициента Дарси (коэффициента гидравлического трения) определяется по формуле Альтшуля [13]: Я = 0,11 Д., +68 5 4-R Re где Аэ - эквивалентная абсолютная шероховатость стенок, R -гидравлический радиус потока, Re - критерий Рейнольдса. При выполнении расчета мощности пользовались формулой: N = s-p-U-v3/(2d). (70) Для различных по диаметру форм и одинаковой толщине стенки отливки (5) при различных величинах v определялись Re и X и рассчитаны величины потребляемой мощности, результаты представлены на рис. 44. Результаты расчета соответствуют эксперименту с погрешностью не более 20% (см. рис. для эксп. № 4.5 и 7). 1 -103 100
В момент остановки потока расплава в форме измерен пик мощности, соответствующий накоплению предельного количества твердой фазы в расплаве, по оценкам разных исследователей [8, 9, 12, 64] 20 - 40%. Меньшее количество твердой фазы необходимо при росте кристаллов в виде разветвленных дендритов или пластин, а большее - при накоплении твердой фазы в виде множества мелких кубических (сферических) кристаллов. Твердая фаза в баббите при ЦП литье образуется в виде мелких компактных включений, поэтому можно допустить, что здесь остановка потока происходит при накоплении в расплаве 30 - 40% кристаллов.
Небобходимо отметить, что метод ЦП литья позволяет определить экспериментально количество твердой фазы при остановке потока при условиях: контроля температуры в расплаве, контроля пика потребляемой мощности и Кцп 1 (когда вовлечение во вращение происходит в процессе остановки потока).
