Следующим наиболее крупным видом брака являются засоры полости формы. Извлечение модели из формы, вследствие обширной поверхности их соприкосновения, затруднительно. В результате происходит частичное разрушение формы, что приводит к засорам ее полости. Удалить эти частицы из полости формы практически не возможно из-за очень тонкого и глубокого рельефа отливки. В результате, в процессе заливки происходят песчаные раковины в теле отливки, что отрицательно сказывается на ее герметичности, и на поверхности ребер, что сокращает площадь поверхности теплообмена (рис.4-4). Снизить эти виды брака позволяет применение протяжного шаблона с резьбовым протяжным устройством (рис.2-4).

Рис.4-3. Газовые раковины

Рис.4-4. Засоры

Рис.4-5. Образцы вырезанные из тела отливки

Газовая пористость, наблюдаемая на некоторых ребристых трубах (“потение” поверхности в результате гидроиспытаний), связана с газотворной способностью стержня. Для ее исключения необходимо строго следить за режимом сушки стержня и временем его нахождения в форме до заливки. Время нахождения стержня в собранной форме до заливки не должно превышать 4-6 часов.

Остальные виды брака также вскрываются при гидроиспытаниях отливок. Эти виды брака связаны с тем, что радиаторы не держат давление испытания 11 кгс/см2. К таким видам брака относятся усадочная пористость и дефекты связанные со структурой металла и его плотностью. На рис.4-5 представлены образцы вырезанные из тела отливки в тепловых узлах (рис.4-6). На некоторых шлифах выполненных из этих образцов обнаружена усадочная пористость (рис.4-7). Для устранения этих дефектов необходимо стабильное получение строго определенной структуры чугуна, в частности перлитной.

Рис.4-6. Тепловые узлы

Рис.4-7. Усадочная пористость

5. ПОСТРОЕНИЕ ПРИБЛИЖЕННОЙ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ СКОРОСТИ ЗАТВЕРДЕВАНИЯ ОТЛИВКИ

5.1. ОСНОВЫ ТЕРМОКИНЕТИЧЕСКОЙ ТЕОРИИ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ

Н.Г.Гиршович, Г.Ф.Баландин, Б.Я.Любов и Ю.А.Самойлович на основании синтеза теплофизической и молекулярно-кинетической теории создали математическую модель [35], позволяющую решить вопросы, связанные с особенностями формирования кристаллического строения слитков. Для сплава, кристаллизующегося в интервале температур ТL - ТS, залитого в форму при температуре ТН, в некоторый промежуточный момент затвердевания распределение температур представлено на рис.5-1 [34].

Рис.5-1. Схема температурных полей затвердевающей отливки

Процесс затвердевания развивается в двухфазной зоне расплава, прилегающей к твердой корке. На рис.5-1 представлена схема температурных полей: Т1(x,t) - температурное поле в незатвердевшем расплаве, Т2(x,t) - в двухфазной зоне и Т3(x,t) - в твердой корке; c1(t) и c3(t) - соответственно координаты фронтов начала и конца затвердевания.

Если внутри интервала кристаллизации сплава выбрать температуру, равную, например, 1/2×(ТL + TS ), и принять, что к моменту ее достижения в двухфазной зоне практически заканчивается процесс кристаллизации (рис.5-1), то кинетику затвердевания можно характеризовать скоростью нарастания твердой корки x(t). Для математического описания такого варианта схемы можно использовать все уравнения и соотношения, которые были получены Г.Ф.Баландиным [34] применительно к схеме затвердевания металлов и эвтектик. Необходимо лишь вместо c3(t) подставить координату c2(t) условного фронта затвердевания (рис.5-1) и Ткр заменить 1/2×(ТL + TS):

(5-1)

(5-2)

(5-3)

(5-4)

(5-5)

Несмотря на очень грубую схематизацию процесса затвердевания, с помощью рассмотренного способа математического описания можно достаточно просто, но, естественно, приближенно рассчитать линейную скорость затвердевания U, которая необходима для практического применения экспериментальных данных и диаграмм, устанавливающих связь свойств и структуры отливки со скоростью ее затвердевания [34].

Данная математическая модель справедлива для отливки в виде неограниченной плиты. Правомерно ли ее использование в данном случае ?

Рис.5-2. Схемы для сравнения плоской и полой цилиндрической отливки

Сравним плоскую отливку (плиту) с простейшим полым бесконечным цилиндром (рис.5-2), т.к. в нашем случае основной элемент конструкции отливки теплообменник - труба, т.е. полый цилиндр.

Известно, что все поверхности, ограничивающие плиту, имеют радиус кривизны, равный бесконечной величине. Поэтому, если радиус кривизны боковых поверхностей плиты обозначить через r0, то отношение 2l0/r0 = 0. Следовательно, любую неплоскую отливку, у которой отношение толщины s ее тела к радиусу кривизны r0 ее поверхности будет весьма малой величиной, можно приближенно рассматривать как плоскую, т.е. если

(5-6)

то отливка плоская.

Еще одно очевидное свойство плоской отливки в том, что у нее обе боковые поверхности F1 и F2 равны друг другу. Поэтому любую неплоскую отливку, у которой отношение

(5-7)

можно приближенно рассматривать как плоскую. Неравенство (5-6) и выражение (5-7) связаны между собой. Так, для полого цилиндра (втулки)

(5-8)

Допустим, что при приближенных расчетах затвердевания возможно пренебречь разницей, составляющей 20 %, между площадями наружной F1 и внутренней F2 поверхностей тела отливки. Другими словами, примем, что при F2/F1 = 0.8 величина F1 » F2. Тогда для полого цилиндра s/r0 = 0.2. Следовательно, можно условиться, что при [34]

(5-9)

отливки тонкостенные, и в расчетах затвердевания они являются плоскими.

Анализ номенклатуры литых деталей машиностроения и приборостроения показывает, что подавляющее большинство отливок удовлетворяет требованию (5-9); это - корпусные детали, детали арматуры, кронштейны, станины и т. п. Правда, соответствие требованию (5-9) нельзя понимать в буквальном смысле. На таких деталях, конечно, есть бобышки, приливы, утолщения, ребра и другие элементы, толщина которых отличается от толщины основного тела. Говоря о соответствии требованию (5-9) имеем в виду толщину и радиусы кривизны поверхности основного тела (или среднюю толщину тела и средний радиус кривизны для детали в целом) [34].