Основные теоретические положения

Способность форм и стержней аккумулировать теплоту, поступающую от отливки, называют теплоаккумулирующей способностью. В количественном выражении под аккумулирующей способностью понимается количество теплоты, которое потеряет или приобретет тело, если его температура изменится на определенную величину. Аккумулирующая способность определяется массой и теплоемкостью тела, а процесс аккумуляции тепла - коэффициентом теплопроводности. Аккумулирующая способность и процесс аккумуляции тепла достаточно полно характеризуются значением коэффициента, b - коэффициента аккумуляции тепла. В общем случае коэффициент можно определить из формулы:

b = , (Вт ∙ с^1/2 / м² ∙ К), (1)

где λ - коэффициент теплопроводности; С - удельная теплоемкость; ρ – плотность.

Так как коэффициент теплопроводности λ определяет тепловые потоки и скорость перераспределения температуры по рассматриваемому сечению, то величина коэффициента b, как это видно из формулы (1) определяют количество аккумулированной формой (или потерянной отливкой) теплоты, а также перепад температуры по сечению отливки.

Коэффициент аккумуляции тепла b является одной из важнейших характеристик формы. Согласно формуле (1) он имеет физический смысл количества теплоты, которую способно поглощать, т.е. аккумулировать форму через единицу поверхности за единицу времени при разности температур на поверхности в один градус. Поэтому коэффициент b практически определяет интенсивность потери тепла отливкой, что играет решающую роль в процессе формирования ее свойств.

Значения коэффициента b для разных материалов приведены в таблице

Таблица 1

Значения коэффициента аккумуляции тепла различных материалов (Вт∙с^1/2/м² К)

На рис. 1 показана зависимость времени затвердевания отливки от коэффициента b формы.

Коэффициент b песчано-глинистой формы и, как следует из графика, скорость затвердевания, можно регулировать путем изменения состава смеси, ее пористости, плотности набивки и влажности.

Добавление в смесь асбестовых и древесных опилок снижает значение величины b, а добавление чугунных опилок увеличивает (например, при наличии в составе смеси 60 % чугунных отливок, коэффициент b увеличения почти в два раза).

Рис.1. Зависимость времени полного затвердения τ₃ плоской алюминиевой отливки толщиной 30 мм от коэффициента b

Изменение пористости может быть связано с изменением размеров зерен песка. С увеличением размера пор за счет применения более крупнозернистого песка коэффициента b растет.

Эксперименты показывают также, увеличение коэффициента b с ростом плотности набивки. В соответствии с этим увеличивается скорость затвердевания отливки.

Наличие влаги в песчано-глинистой смеси приводит к интенсивному ее испарению, конденсации и перераспределения в форме. Этот процесс отмечается большой сложностью. В целом, с увеличением процентного содержания воды в составе смеси коэффициент b растет.

В случае литья в кокиль возможность регулирования технологом скорости затвердевания отливки за счет материала металлической формы еще больше, за счет существенного различия значений коэффициента b для различных материалов (см. табл.1). Однако, данные соображения справедливы лишь для масштабных кокилей. С уменьшением толщины стенки кокиля, роль аккумулированной теплоты уменьшается, а роль теплоты, потерянной в окружающую среду возрастает. В предельном случае

(X₂ / X₁) << 1

где X₁ - толщина отливки, X₂ - толщина стенки кокиля.

Решающее значение имеет уже не теплоаккумулирующая способность формы, а ее термическое сопротивление X₂ / λ₂, которое определяет скорость затвердевания отливки.

В практике литейных расчетов часто принято обозначать индексами значения различных коэффициентов. Если нет специальных указаний, то как правило, индекс I относится к отливке, например: b₁, λ₁, С₁, ρ₁ и т. д., а индекс 2 к форме, например: b₂, λ₂, С₂, ρ₂ и т. д.