Метод измерения температур в исследовании характера затвердевания отливки

В теории литейных процессов для изучения механизма и скоростей затвердевания отливок исторически использовались: метод выливания жидкого остатка, метод измерения температур, метод аналогий, метод математического анализа [1–3].

Применение метода последовательного выливания жидкого остатка из залитых форм простой конфигурации через заданные промежутки времени позволяет получить ценную информацию в изучении скоростей затвердевания отливок. Но этим методом можно измерять только скорость нарастания твердой корки металла, на поздних стадиях затвердевания отливки он не применим, так как поверхностная твердая корка не дает возможность вылить жидкий металл, а для сплавов со значительным интервалом затвердевания он будет давать неудовлетворительные результаты. Твердая корка будет содержать жидкий металл либо весь сплав будет выливаться из формы или застревать в ней.

В методе аналогий или моделирования поток тепла или распределение температур имитируются агентами, свойства которых легко поддаются измерениям, например, в электрических цепях, электролите или мыльных пленках. Главные факторы, сдерживающие распространение данного метода в исследованиях, – точное знание теплофизических характеристик сплава, его поведение в твердожидком состоянии и применение аналогии только к стационарному тепловому потоку.

Метод проведения математического анализа процесса затвердевания отливки с позиций способа решения поставленной задачи разделяется на аналитический и метод математического прибли- жения [4, 5]. Учитывая высокую сложность, аналитический расчет теплопередачи в затвердевающей отливке получен для небольшого количества простых случаев. Метод математического приближения эффективно реализуется в современных системах инженерного анализа, но также требует знания всех теплофизических свойств используемых материалов, особенно в исследовании скоростей затвердевания сплавов.

Отдельное место в теории литейных процессов занимает метод измерения температур. Всеобщее признание этого метода связано в первую очередь с отсутствием каких-либо сложностей в проведении.

В заданных местах затвердевающей отливки устанавливаются термопары. Строятся кривые охлаждения сплава, начиная с момента заливки сплава в форму и заканчивая заданной температурой затвердевшей отливки.

Например, в исследовании кристаллизации алюминиевого сплава (АК7ч) в импульсном электромагнитном поле и в изучении характера затвердевания плиты из стали 110Г13Л при разных способах заполнения формы [6, 7] были использованы следующие схемы установки термопар, представленные на рис. 1 и 2 соответственно.

Результаты измерений температур приведены на рис. 3 и 4.

В исследованиях кристаллизации силумина использовали хромель-алюмелевую термопару, а в случае со сталью – вольфрам-рениевую. Термопары были защищены наборной керамической оболочкой и подключены к электронному автоматическому потенциометру ЭПР-09мз.

Ердаков И.Н., Новокрещенов В.В., Саламатов И.В., Сабирова Л.Н.

Метод измерения температур в исследовании характера затвердевания отливки

Рис. 1. Объемная схема экспериментальной установки исследования кристаллизации сплава АК7ч в импульсном электромагнитном поле: 1 – термопара; 2 – медный электрод; 3 – потенциометр; 4 – литейная полость; 5 – песчано-глинистая форма

Рис. 2. Объемная схема экспериментальной формы в исследовании характера затвердевания стальной плиты при ее заполнении через разработанную литниково-питающую систему: 1 – термопара; 2 – литейная полость; 3 – песчано-глинистая форма

Рис. 3. Изменение температуры в затвердевающих брусках из АК7ч (контрольный и экспериментальный) через 100 с после заливки формы ( L – длина бруска)

Рис. 4. Температура затвердевающей стальной плиты, при заполнении формы по разработанной литниковой системе, через 500 с после заливки ( В - ширина плиты , L - длина плиты)

Результаты измерения температуры остывающих отливок позволили сделать вывод о характере затвердевания. Установлено, что из-за интенсификации электромагнитным полем процесса зародышеобразования силумин начинает раньше переходить в твердое состояние, и к моменту времени 100 с после заливки формы экспериментальный образец имеет более низкие значения, чем контрольный (см. рис.3).

В ходе проведенного анализа затвердевания стальной плиты, залитой по разработанной конструкции литниково-питающей системы, было установлено, что из-за интенсивного перемешивания расплава в форме один из углов литейной полости разогревается. В результате этого перед началом затвердевания температурное поле отливки приобретает значения, при которых затвердевание начинается с противоположного стояку угла плиты. Фронт кристаллизации сплава перемещается вдоль диагонали отливки (см. рис. 4).

Обязательным условием обеспечения точности измерения температур данным методом является калибровка партии проволоки, из которой сделаны термопары, а также размещение термопар параллельно изотермам отливки или формы. Последнее исключает теплопередачу вдоль проводов.

Метод измерения температур не требует знания теплофизических свойств всех материалов, дает точную информацию в интервале затвердевания сплава, метод быстр, им можно определять температурный градиент в различных точках отливки, формы и на границе.