Литье по газифицируемым моделям - Шуляк B.C.
ISBN 978-5-91259-011-5
Скачать (прямая ссылка):
^ = 1^(СП-С1) = Ю-2С^-, (4.20)
ах
где \х — коэффициент массопереноса (в данном случае коэффициент молекулярной диффузии углерода в жидкий металл); — поверхность раздела металл—зазор; Сп — предельная растворимость
158
углерода в металле; Сх — содержание углерода в металле к моменту х; О — объем металла.
Количество углерода, перешедшего в металл за время его заливки в форму, можно определить, если проинтегрировать уравнение (4.20) при начальных условиях х = 0, С = С0, где С0 — исходная концентрация углерода в металле:
ч -Ю3 ц—1
с,=С-(с„-с0)е 0
(4.21)
Предельное насыщение металла углеродом зависит от температуры расплава и термодинамической активности углерода, которая зависит от наличия примесей в железоуглеродистом сплаве, и может быть определено по уравнению [10]
%С = 3,61 + 1,07(10"3 7)-[8,06-4,96(10"37)]Si + 0,08Mn-
- 0,02i> - [5,68 - 3,56(10~37)] S. (4.22)
В табл. 4.8 представлены расчетные данные о предельной растворимости углерода в различных железоуглеродистых сплавах, из которых следует, что с повышением содержания кремния и углерода в исходном сплаве предельная растворимость углерода в жидком металле уменьшается.
Таблица 4.8
Предельная растворимость углерода
Марка сплава Содержание основных элементов, вес. %
Сп Si Мп Р S
Сталь ЮЛ 5,19 0,30 0,45 0,025 0,02
Сталь 45Л 5,16 0,37 0,55 0,034 0,025
Сталь У ЮЛ 5,19 0,27 0,30 0,021 0,018
Чугун СЧ 21-40 4,04 2,18 0,73 0,07 0,031
Коэффициент массопереноса определяется по уравнению [16]
(
Ц = Но ехР
Е ^
^усл
V
RT
(4.23)
где Е — энергия активации, величина которой в значительной степени зависит от исходного содержания кремния и углерода в сплаве
159
и изменяется в пределах 12-20 ккал/моль; Я — газовая постоянная; Т — абсолютная температура, К; цо — коэффициент массоперено-са при определенной температуре, г/(см2 • ч) , может быть рассчитан по уравнению [16]:
цо = 10"1 {22,6 ¦ (10~37) - [4,15 • (10~37) - 5,31]81 -
- 0,27Мп + 1,04Р} - [60,6 -36,9 • (10~37)]8 - 30,32}. (4.24)
Результаты расчета растворимости углерода по уравнению (4.21) с учетом уравнения (4.24) и данных табл. 4.8 для образцов отливок размером 20 х 80 х 200 мм и массой 2400 г приведены в табл. 4.9.
Таблица 4.9
Объемное науглероживание железоуглеродистых сплавов
Марка сплава Коэффициент массопе-реноса Время заливки, с Температура заливки, °С Содержание углерода
исходное при ЛГМ расчетное при ЛГМ
Сталь ЮЛ 1,028 5,04 1550 0,12 0,19 0,21
Сталь 45Л 1,012 5,04 1550 0,44 0,51 0,46
СтальУЮК 1,037 5,04 1550 0,98 1,02 1,02
Чугун СЧ 21-40 0,310 10,08 1350 3,08 3,09 3,09
На рис. 4.6 представлены расчетные и экспериментальные данные поверхностного и объемного приращений углерода в отливках в зависимости от исходного содержания его в сплаве.
Установлено [5, 8], что технологические параметры ЛГМ существенно влияют на растворимость углерода в жидком металле. Повышение температуры металла при заливке его в форму увеличивает количество растворимого углерода в отливке (рис. 4.7, а), увеличение площади взаимодействия жидкого металла с моделью из пенополистирола приводит к росту объемного науглероживания (рис. 4.7, б).
160
Рис. 4.6. Изменение поверхностного (П) и объемного (О) приращений углерода в зависимости от его исходного содержания в металле
Повышение газопроницаемости формы снижает парциальное давление углерода в газовой фазе, что снижает объемное науглероживание расплава (рис. 4.7, в), и наоборот, увеличение скорости заливки формы металлом, плотности модели увеличивает парциальное давление углерода в газовой фазе и соответственно количество растворимого углерода в отливке (рис. 4.8 и 4.9).
Т,°С 5, мм
Рис. 4.7. Изменение поверхностного (П) и объемного (О) приращений углерода в отливках из стали 45Л в зависимости: а) от температуры заливки; б) от толщины стенки отливки; в) от газопроницаемости формы (см. также с. 162)
161
АС, %
в
0,10
0,06 ¦ 0,02 ¦
50 300 500 Гф,ед.
Рис. 4.7. Окончание
Рис. 4.8. Изменение поверхностного (П) и объемного (О) содержания углерода в отливках из стали 45 Л в зависимости от расчетной скорости подъема металла в полости формы
Применение специального литейного пенополистирола ПСВ-Л с повышенной скоростью газификации снижает объемное науглероживание железоуглеродистых сплавов. Приведенные экспериментальные данные полностью соответствуют теоретическим представлениям о растворимости углерода в жидких железоуглеродистых сплавах [11, 12].
162
.«.......... ... г |,п „„..,....................л.».
0,020 0,030 0,040 Ум; г/м3
Рис. 4.9. Изменение поверхностного (П) и объемного (О) приращения углерода в отливках из стали 45Л в зависимости от плотности модели
В газообразных продуктах термической деструкции пенополистирола при заливке формы металлом с температурой 1300-1550 °С содержится до 6-8 % водорода и до 27-37 % азота. Такое значительное количество азота объясняется наличием его в порах пенополистирола, где он диффундирует в составе воздуха в гранулы при их активации после вспенивания. Кислород взаимодействует с продуктами термической деструкции как активный окислитель, и поэтому в свободном виде в-газовой атмосфере он отсутствует. Азот находится в молекулярном состоянии N2, в то время как водород в газовой фазе в зазоре 8 может быть как в атомарном, так и в молекулярном виде.
