16 / 1 (59), 2011 Д. М. кукуй, Ю. А. НиколАйчик, БНту УДК 621.74 иCCлеДоваНие ПроЦессов ЗаПолНеНия литеЙНоЙ Формы При исПолЬЗоваНии ПротивоПригарНыХ ПокрытиЙ с ДоБавками НаНоструктурироваННыХ материалов В настоящей работе было исследовано влияние противопригарных покрытий, содержащих в сво- ем составе добавки наноструктурированных мате- риалов, на особенности заполнения разовых пес- чаных форм. Для реализации экспериментов была использована технологическая проба по определе- нию жидкотекучести сплавов (спираль Керри, ГОСТ 16438–70). Литейные формы «спираль Керри» изготавли- вали из холоднотвердеющей песчано-смоляной смеси следующего состава: смола карбамидно-фу- рановая марки КФ-65 – 2,0 мас.%; 50%-ный рас- твор ортофосфорной кислоты – 1,0 мас.%; кварце- вый формовочный песок марки 1К1О202 – осталь- ное. Плоскость разъема и полость спиралевидного канала окрашивали различными защитными по- крытиями: на основе композитного наполнителя, состоящего из дистен-силлиманита и нанострук- турированного бемита; на основе чистого дистен- силлиманита. Для выполнения сравнительного анализа в эксперименте участвовала неокрашен- ная форма. Под заливку собранные и предвари- тельно просушенные литейные формы устанавли- вали на плацу строго горизонтально, что контро- лировали уровнемером УС-II (ГОСТ 9416–83). Заливку осуществляли серым чугуном марки СЧ20 (ГОСТ 1412–70) при температуре 1320 ˚С. Установлено (рис. 1), что использованные про- тивопригарные покрытия оказывают влияние как на процесс заполнения литейной формы расплавом, так и на степень заполнения канала (см. таблицу). Очевидно, что при одинаковых условиях экс- перимента (химический состав сплава, температу- ра заливки, материал литейной формы, величина гидростатического напора и др.) противопригар- ные покрытия влияют, в первую очередь, на вре- менной промежуток пребывания расплава в жид- ком состоянии при его движении по спирали Кер- ри, т. е. на условия контактного теплообмена между отливкой и литейной формой. It is determined that application of nonstick coverings with additives of nanostructured materials in technological process of castings production will enable increase of the casting mold filling degree, reduction of underfilling and seals waste. а б в Рис. 1. Спирали Керри, полученные при использовании противопригарных покрытий: а – спираль, полученная при исполь- зовании противопригарного покрытия с добавками наноструктурированного бемита; б – спираль, полученная при исполь- зовании противопригарного покрытия на основе дистен-силлиманита; в – спираль, полученная в неокрашенную форму / 17 1 (59), 2011 Результаты экспериментов по заполнению литейной формы Литейная форма Угол, пройденный расплавом, град Длина пути, пройденного расплавом, мм Окрашена противопри- гар ным покрытием с до бавками нанострукту- ри ро ванного бемита 662 851 Окрашена противопри- гарным покрытием на основе дистен- силлиманита 453 661 Не окрашена 356 524 С целью установления факторов, влияющих на процесс заполнения, было выполнено компьютер- ное моделирование при начальных и граничных условиях, аналогичных натурному эксперименту. Анализ физических процессов осуществляли при помощи системы СКМ «Полигон V12.1». Результаты моделирования показывают (рис. 2), что наличие противопригарных покрытий в кон- тактной зоне снижает скорость падения темпера- туры расплава при его движении по спирали Кер- ри, что и обусловливает более высокие показатели заполняемости (для противопригарного покрытия с добавками наноструктурированного бемита на 327 мм больше, чем в неокрашенной форме и для дистен-силлиманитового противопригарного по- крытия на 137 мм больше, чем в неокрашенной форме). При этом анализ динамики изменения темпе- ратуры неокрашенной формы (рис. 3) в контроль- ных точках спирали (рис. 1, в, точки 1, 2, 3, 4) с ко- ординатами 90˚ (L = 154 мм), 180˚ (L = 284 мм), 270˚ (L = 397 мм), 360˚ (L = 529 мм) соответственно по- казывает, что расплав движется неравномерным пульсирующим потоком. В процессе заполнения до полной остановки расплава (t = 3,32 с) амплитуда колебаний температуры носит экстре- мальный характер и достигает максимальных зна- чений в короткие промежутки времени. В кон- трольной точке 1 наблюдаются два отчетливых пика (кривая 1, рис. 3), характеризующих колеба- тельный характер процесса заполнения. После увеличения температуры расплава до температур, близких к температуре заливки, практически мгно- венно (за 0,2 с) происходит ее падение на 81 ˚С, а за- тем повышение за 0,69 с на 38 ˚С. Аналогичные колебания температуры наблюдаются и в кон- трольной точке 2 (кривая 2, рис. 3), однако их ам- плитуда существенно меньше, чем в точке 1 (паде- а б в Рис. 2. Результаты моделирования процесса заполнения расплавом спирали Керри, полученные при использовании противопригарных покрытий: а – противопригарное по- крытие с добавками наноструктурированных материалов; б – противопригарное покрытие на основе дистен-силлима- нита; в – неокрашенная форма 18 / 1 (59), 2011 ние температуры – 16˚С, а последующий рост – 25 ˚С). В контрольной точке 3 температура достигает значений (t = 1180 ˚С), близких к температуре лик- видус расплава, и повторных колебаний не наблю- дается. Движение расплава продолжается до тем- пературы солидус (точка 4). После его остановки пульсации температуры отсутствуют и она моно- тонно убывает. Таким образом, механизм заполне- ния неокрашенной спирали Керри можно предста- вить следующим образом. В период времени от 0 до 2,1 с поток расплава, поступая из литниковой системы, под действием гидростатического напо- ра перемещается в спиральном канале на некото- рую максимальную длину. Головная часть потока, соприкасаясь с холодными стенками формы, ин- тенсивно охлаждается. При этом, согласно [1, 2], в пристеночном слое в некоторый промежуток времени начинается образование тонких пленок металла на мениске, которые ломаются движу- щимся потоком и захватываются им. Результаты моделирования (рис. 3) показывают, что повыше- ние вязкости расплава, связанное со скачкообраз- ным падением температуры, происходит в проме- жуток времени от 2,1 до 2,3 с. В результате этого интенсивное развитие получает процесс кристал- лизации на мениске, который приводит к падению скорости и резкому замедлению потока. Практиче- ски мгновенное изменение скорости движения го- ловной части расплава вызывает быстрое нараста- ние напора и приводит к эффекту гидравлического удара, что обусловливает повторный скачок темпе- ратуры в период от 2,3 до 2,98 с. Можно полагать, что возникшая при торможении потока корочка твердого металла разламывается вновь ускоряю- щимся потоком, поступающим из литниковой си- стемы. В промежуток времени от 2,98 до 3,2 с ско- рость потока существенно замедляется и при до- стижении необходимого количества твердой фазы на мениске поток полностью останавливается. В результате моделирования установлено, что при наличии в контактной зоне противопригарно- го покрытия (рис. 4, 5) характер движения жидко- сти значительно изменяется. Время пребывания расплава в жидком состоянии увеличивается на 0,39 с при использовании противопригарного по- крытия на основе дистен-силлиманита и на 1,19 с для противопригарного покрытия с добавками на- ноструктурированного бемита, что позволяет по- лучить лучшие результаты по заполняемости ли- тейной формы (см. таблицу). Характерные пики пульсации температуры сглаживаются и нивели- руются во времени. При использовании противо- пригарного покрытия на основе дистен-силлима- нита колебания температуры более отчетливо про- сматриваются (рис. 4), чем при использовании противопригарного покрытия с добавками нано- структурированного бемита (рис. 5). Это говорит о том, что разрушающее действие гидравличе- ского удара сведено к минимуму при использо- вании противопригарного покрытия на основе чистого дистен-силлиманита и практически от- сутствует при использовании противопригарного покрытия с добавками наноструктурированного бемита. Можно полагать, что такие изменения скоро- сти падения температуры обусловлены в первую очередь тем, что противопригарные покрытия соз- дают в контактной зоне определенное термическое сопротивление тепловому потоку, направленному Рис. 3. Динамика изменения температуры в контрольных точках на спирали Керри в неокрашенной форме: 1 – контрольная точка с координатой 90˚ (L = 154 мм); 2 – контрольная точка с координатой 180˚ (284 мм); 3 – контрольная точка с координа- той 270˚ (L = 397 мм); 4 – контрольная точка остановки расплава с координатой 360˚ (L = 529 мм) / 19 1 (59), 2011 от расплава в литейную форму, которое опреде- ляется эффективным коэффициентом теплопере- дачи a. Для противопригарного покрытия с добав- ками наноструктурированного бемита такое тер- мическое сопротивление выше, чем у противопри- гарного покрытия на основе чистого дистен-сил- лиманита. В результате моделирования установле- но, что для противопригарного покрытия на ос- нове дистен-силлиманита коэффициент a соста- вил 318 Вт/(м2·К), а для противопригарного по- крытия с добавками наноструктурированного бе- мита – 187 Вт/(м2·К). Таким образом, применение противопригар- ных покрытий с добавками наноструктурирован- ных материалов в технологическом процессе изго- товления отливок будет способствовать увеличе- нию степени заполнения литейной формы и, как следствие, снижению брака по недоливам, несли- тинам, спаям, особенно характерным при изготов- лении тонкостенных отливок. Рис. 4. Динамика изменения температуры в контрольных точках на спирали Керри в форме, окрашенной противопригарным покрытием на основе дистен-силлиманита: 1 – контрольная точка с координатой 90˚ (L = 154 мм); 2 – контрольная точка с координатой 180˚ (284 мм); 3 – контрольная точка с координатой 270˚ (L = 397 мм); 4 – контрольная точка с координатой 360˚ (L = 529 мм); 5 – контрольная точка остановки расплава с координатой 453˚ (L = 661 мм) Рис. 5. Динамика изменения температуры в контрольных точках на спирали Керри в форме, окрашенной противопригарным покрытием с добавками наноструктурированного бемита: 1 – контрольная точка с координатой 90˚ (L = 154 мм); 2 – контроль- ная точка с координатой 180˚ (284 мм); 3 – контрольная точка с координатой 270˚ (L = 397 мм); 4 – контрольная точка с координатой 360˚ (L = 529 мм); 5 – контрольная точка с координатой 450˚ (L = 636 мм); 6 – контрольная точка с координатой 540˚ (L = 742 мм); 7 – контрольная точка остановки расплава с координатой 662˚ (L = 851 мм) Литература 1. В и н о к у р о в В. К. Механизм движения жидкого металла в литейных формах тонкостенных отливок. Мн.: Высш. шк., 1972. Вып.2. С 39–42. 2. Д о р о ж к о И. В. Исследование влияния процесса микролегирования на жидкотекучесть чугуна: Автореф. ... канд. техн. наук. Мн., 1981.