Разработка модели технологического процесса получения ребристых труб и ее апробация - Технология - Скачать бесплатно
его химического состава.
[pic]
(6-5)
аналогично:
[pic]
(6-6)
Зная относительный объем графитных включений, можно определить
расчетную плотность чугуна, при условии отсутствия в нем микропористости.
(т = Кгр((гр+Км((м.
(6-7)
Величина (т называется теоретическим удельным весом чугуна.
Формулой (6-7) для определения теоретического удельного веса чугуна не
всегда удобно пользоваться, т.к. для этого необходимо знать относительные
объемы графита и металлической основы чугуна.
Подставляя в формулу (6-7) значения Кгр и Км из формул (6-5) и (6-6)
после преобразования получим:
[pic]
(6-8)
т.к. gгр+gм = 1, тогда:
[pic]
(6-9)
В качестве критерия для оценки микропористости следует принять
количество свободного углерода в чугуне, а также характер его расположения,
имея ввиду степень разобщения металлической основы чугуна.
Как известно, графит в чугуне может иметь пластинчатую, хлопьевидную
или глобулярную форму, кроме того, графитные включения отличаются между
собой размерами и характером залегания.
2 МАКРОПОРИСТОСТЬ
Макропористость чугуна обуславливается рассредоточенной газовой и
рассредоточенной усадочной пористостью. Такой вид пористости отличается
небольшими размерами газовых и усадочных пор, которые обычно по объему
отливки располагаются более или менее равномерно [24].
Макропористость определяется в относительных величинах или в процентах.
Для определения макропористости серого чугуна используется следующая
формула:
[pic]
(6-10)
где (т - теоретический удельный вес серого чугуна;
( - действительный удельный вес чугуна.
Макропоры в зависимости от их величины очень резко снижают
герметичность чугунных отливок. Их появление в чугуне зависит от большого
числа факторов.
Так рассредоточенная газовая пористость образуется за счет выделения
растворенных или реакционных газов в чугуне. Растворимость газов в металле
зависит от температуры и давления. На рис.6-1 показана кривая растворимости
водорода в железе [30].
[pic]
Рис.6-1. Растворимость водорода в железе
На этой кривой имеются участки, которые характеризуют собой
растворимость газа в твердых металлах, в период расплавления и в жидком
состоянии. Переход от одного состояния в другое сопровождается
скачкообразным изменением растворимости газов.
Растворимость газов в зависимости от давления определяется из формулы
[24]:
[pic]
(6-11)
где Q - количество растворенных газов;
Р - давление;
К - постоянная величина.
Реакционные газы образуются в следствие химических реакций, имеющих
место в сплаве, при повышенном содержании в них окиси железа.
FeO + C = CO + Fe
Образование газов приводит к появлению в металле отдельных пузырьков. В
зависимости от свойств металла и скорости газообразования, пузырьки
принимают те или иные размеры и начинают двигаться вверх; скорость движения
пузырьков определяется из формулы Стокса:
[pic]
(6-12)
где r - диаметр пузырька ;
g - ускорение свободного падения;
( - вязкость жидкого металла.
Согласно этой формулы величина пузырьков зависит от плотности и
вязкости жидкого металла. Степень газонасыщенности отливки определяется
количеством растворенных газов в металле, а последняя зависит от его
раскисленности и режим охлаждения самой отливки.
Касаясь рассредоточенной усадочной пористости, следует напомнить, что
она определяется объемной усадкой, которая, в свою очередь, зависит от
температурного интервала кристаллизации серого чугуна. С увеличением
углеродного эквивалента в чугуне общий объем усадочной пористости
уменьшается.
Важным фактором, влияющим на образование усадочной пористости, является
также жесткость литейной формы: чем больше жесткость формы, тем меньше
объем усадочных пороков. Поэтому при литье в сухие формы и в формы из
жидкостекольных и цементных смесей часто не требуется простановка прибылей,
в то время как при литье в сырые формы они необходимы.
Рассеянная пористость в отливках, как правило является результатом
совместного образования газовой и усадочной пористости.
3 ГРУБАЯ ДЕФЕКТНАЯ ПОРИСТОСТЬ
Грубая дефектная пористость обуславливается различными макропороками
отливок, которые обычно являются браковочным признаком [24]. К ним
относятся местные и рассеянные газовые, земляные, шлаковые, усадочные
раковины, неслитины, спаи, трещины и.т.д.
Такие дефекты приводят к местным нарушениям сплошности чугуна и резкой
потере его герметичности.
Пористость чугуна является важной характеристикой определяющей его
герметичность. Под пористостью следует понимать отношение объема пор к
объему образца.
[pic]
(6-13)
где V1 - объем макро- и микро пор;
V2 - объем образца.
Как указывалось выше, в сером чугуне имеются поры заполненные графитом
и поры, свободные от него.
Относительный объем пор занятых графитом, определяется по формуле (6-
5).
Относительный объем свободных от графита можно определить по формуле (6-
10).
Общая относительная пористость или просто пористость будет равна сумме
этих видов пористости:
m = Кгр + К.
(6-14)
2 ФИЗИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ГЕРМЕТИЧНОСТИ СЕРЫХ ЧУГУНОВ
Серые чугуны представляют собой очень сложные железоуглеродистые
сплавы, заключающие в себе большое количество изолированных друг от друга
свободных и заполненных графитом пор самой разнообразной формы и размеров.
Характер пор в чугуне, их размер и количество зависят от многих факторов,
основными из которых являются: химический состав, структурное строение,
технология изготовления отливок, их термообработка и условия эксплуатации.
При воздействии на отливку жидкости, находящейся под высоким давлением,
эта жидкость проникает в поры чугуна, а затем, если не встречает
достаточного сопротивления, она просачивается дальше в тело отливки.
Процесс просачиваемости чугунов является очень сложным и в настоящее
время остается почти не изученным. Опыты, проведенные в этом направлении
многими исследователями, не раскрывают в достаточной мере механизма
просачиваемости жидкости через тело чугунных отливок. В связи с этим оценка
просачиваемости чугунов в настоящее время производится по двухбалльной
системе - “текут”, “не текут” [24].
Просачиваемость чугунов находится в обратной зависимости от их
плотности или так называемой герметичности. Поэтому изучение свойств
просачиваемости или проницаемости обычно ведется по величине, обратной их
проницаемости.
Движение жидкости в порах чугуна является чрезвычайно сложным
процессом. Даже в простейших случаях фильтрации, когда пористая Среда
образована из большого количества систематически уложенных шаров, точного
гидромеханического решения движения жидкости не имеется. Впрочем, это не
так важно, т.к. при изучении герметичности чугунов в большей степени имеют
значение усредненные характеристики потока жидкости также как скорости
просачивания, расхода и т.д., а не форма движения жидкости в самих порах.
В настоящее время создана достаточно обоснованная теория движения
жидкости и газов в естественных пористых средах. В ней разработаны основные
положения в случае движения жидкостей и газов в естественных пористых
средах и определены физические законы фильтрации.
В первом приближении движение жидкости через стенки чугунных отливок,
находящихся под большим давлением, должны подчиняться тем же самым
закономерностям, что и движение жидкостей в естественных пористых средах
[24].
Однако при движении жидкости в порах чугуна имеются существенные
различия, которые по нашему мнению будут заключаться в следующем:
1. Естественные пористые среды имеют сплошные каналы, а серые чугуны -
изолированные поры. Поэтому потери давления во втором случае будут
определяться не только внутренним сопротивлением движения жидкости в
порах, но и сопротивлением, возникающим в результате разрушения
основной металлической массы, расклинивающим действием жидкости.
2. Перепад давлений, даже при незначительной толщине стенок отливок
гидросистем, всегда будет значительно больше по сравнению с перепадом
давления при фильтрации в естественных пористых средах.
3. Высокие давления в отливках, как правило, вызывают в них деформации,
что оказывает существенное влияние на герметичность чугуна.
4. Скорость просачивания жидкости в чугуне значительно меньше скорости
фильтрации в пористых средах. Поэтому динамическими и инерционными
факторами, имеющими место при просачивании в дальнейшем при изучении
этого явления можно пренебречь.
5. Наконец, самое главное отличие состоит в том, что при фильтрации в
естественных пористых средах основной целью является увеличение
скорости фильтрационного потока и, следовательно, увеличению расхода
жидкости, в то время как при изучении герметичности серых чугунов
главной целью является изыскание материалов, обладающих максимальной
герметичностью, которая обуславливала бы минимальную или же нулевую
скорость движения потока.
Указанные выше различия, естественно, вносят существенные поправки в те
или иные уравнения движения жидкости в процессе фильтрации, но не изменяют
самих условий, характера и законов движения этой жидкости в теле чугунных
отливок гидросистем.
Поэтому в дальнейшем при выводе основных закономерностей при
исследовании проницаемости серого чугуна или обратной величины нами были
использованы все известные элементы теории течения однородных жидкостей и
газов в пористой недеформируемой среде.
Для изучения законов проницаемости чугуна прежде всего необходимо было
установить зависимость расхода и скорости движения просачиваемости жидкости
от ее давления и герметичности чугуна. Эту закономерность необходимо
установить в пределах малых площадок, величина которых, однако, велика по
сравнению с размерами пор. В этом случае среднюю скорость движения
жидкости через элементарную площадку чугуна можно определить по формуле
[24]:
[pic]
(6-15)
где V - средняя скорость движения жидкости через элементарную
площадку чугуна;
(W - количество просочившейся жидкости через элементарную
площадку;
(( - элементарная площадка;
t - время.
В случае, если толщина стенки значительно меньше линейных размеров
площадки и плоскости ее параллельны, тогда средняя скорость движения
жидкости в порах будет выражаться уравнением:
[pic]
(6-16)
где W - количество просочившейся жидкости через площадку.
Но, так как поток жидкости не заполняет все пространство, а движется
через часть объема занятой порами, тогда при коэффициенте пористости m
скорость движения в порах V( будет равна:
[pic]
и
[pic]
(6-17)
или V = mV’.
Так как всегда m>1, то V = V(.
Отсюда пространство, занятое потоком жидкости, можно назвать областью
просачивания.
Очевидно, что линией движения потока жидкости будет называться такая
линия, касательная в каждой точке которой совпадает с вектором скорости
просачивания в этой точке.
Известно, что скорость потока жидкости V зависит от избыточного
давления Р [24], действующего на стенки чугуна, от его внутреннего
сопротивления движению жидкости G и от вязкости самой жидкости (, т.е.
[pic]
(6-18)
Внутреннее сопротивление материала G движению через него жидкости или
газов по существу является герметичностью этого материала.
Приравнивая правые части (6-16) и (6-18) и решая их относительно G,
получим математическое выражение для герметичности чугуна и для других
материалов:
[pic]
(6-19)
Из приведенного уравнения (6-19) следует, что герметичность есть такое
сопротивление материала проникновению через него жидкости, имеющей вязкость
( и находящейся под давлением Р, при котором за время t через площадку (
проникает W миллилитров этой жидкости. Другими словами, движение жидкости,
находящейся под давлением Р, столбика материала с толщиной стенки, равной
толщине отливки и поперечным сечением 1 см2 (рис.6-2).
Если измерять количество просочившейся жидкости в см3, давление в
кг/см2, площадь образца в см2, время в минутах и вязкость в (Е, тогда
размерность герметичности будет выражаться в [pic] [24].
Эта единица герметичности в дальнейшем нами будет обозначаться ЕГ.
[pic]
Рис.6-2. Схема к расчету единицы герметичности
ЕГ есть такая герметичность материала, при которой через площадку в 1
см2 просачивается 1 см3 воды при вязкости 1(Е, находящейся под избыточным
давлением, равном 1 кг/см2 за 1 минуту.
В виду того, что единица ЕГ является весьма малой величиной, то в
дальнейшем ее значение приводится в кЕГ и МЕГ:
1 кЕГ = 1000 ЕГ = 103 ЕГ;
1 МЕГ = 1000000 ЕГ = 106 ЕГ.
Герметичность чугуна зависит от его природных свойств, а именно:
пористости, сопротивления разрушению расклинивающего действия жидкости,
деформации, а также от толщины стенки отливки.
Для оценки качества материала, имея в виду его герметические свойства,
целесообразно ввести понятие удельной герметичности. Удельной
герметичностью называется герметичность, отнесенная к единице толщины
стенки отливки, изготовленной из данной марки чугуна или данного материала.
Зависимость герметичности чугуна от толщины стенки ( точно еще не
установлена. Поэтому удельную герметичность можно представить в такой
функциональной зависимости:
G0 = G(f(().
(6-20)
Как будет указано ниже (рис.8.2 и 8.3), эта функциональная зависимость
приближается к квадратичной и представляется в виде следующего уравнения:
[pic]
(6-21)
Подставляя в (6-21) значения герметичности G, получим окончательную
формулу для выражения удельной герметичности:
[pic]
(6-22)
Величины, вычисленные по (6-22) достаточно хорошо совпадают с нашими
опытными данными. Поэтому эту формулу в первом приближении можно
рекомендовать для определения удельной герметичности стандартных марок
чугунов и других материалов.
При проектировании литых деталей, работающих под повышенным давлением
жидкости, желательно заранее знать, какой герметичностью должна обладать
данная деталь, работающая в заданных конкретных условиях, каким образом
установить и определить герметичность чугуна для этой детали.
Для выполнения поставленной задачи необходимо ввести понятие о
предельной допустимой герметичности. Предельно-допустимой герметичностью
материала будем называть такое его внутреннее сопротивление, при котором
скорость просачивания данной жидкости, находящейся под давлением Р, будет
меньше или равна допустимой скорости просачивания.
В качестве допустимой скорости просачивания целесообразно принять
скорость во много раз меньшую скорости испарения жидкости с поверхности
отливки. Можно задаваться допустимой скоростью просачивания и из других
соображений, например, прочности отливки и т.д.
7 МЕТОДИКИ ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТОВ
1 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ГЕРМЕТИЧНОСТИ ЧУГУНА
1 РАЗРАБОТКА СПОСОБА И МЕТОДИКИ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ГЕРМЕТИЧНОСТИ ЧУГУНА
Разработка методики исследования герметичности чугуна велась в
направлении выбора типа проб, установлении целесообразной формы и размеров
темплета, определения метода испытаний, разработке оптимальных режимов
испытаний, а также выявления зависимости герметичности от химического
состава структуры и физического строения чугуна [24].
Известно, что подавляющее количество всех гидравлических устройств
работают при одностороннем давлении до 100-150 и более атмосфер. Это
условие явилось основанием для выбора метода испытания герметичности серых
чугунов, при котором образец испытывается под воздействием одностороннего
давления до 400 атмосфер.
При разработке методики испытания образцов на герметичность, кроме
того, были приняты во внимание следующие положения:
1. Испытания герметичности чугунов должны вестись на темплетах,
изготовленных как из стандартных образцов диаметром 30 мм и длиной
340 мм, так и непосредственно из готовых отливок.
2. Форма и размеры образца должны обеспечивать наиболее верные
показатели герметичности чугуна.
3. Оптимальное давление при испытании герметичности чугунов должно
составлять 150 - 350 атм., т.к. при более высоких давлениях имеют
место неточности в определении герметичности в связи с деформацией
образца.
4. Испытания герметичности чугунов должно производиться в течение
минимального промежутка времени, но это положение не должно
ограничивать время специальных целевых испытаний (например,
определение количества просочившейся жидкости в зависимости от
давления и времени).
5. В качестве жидкости для испытания принят керосин.
6. Контроль просачивания жидкости - визуальный.
Образцы или темплеты для испытания на герметичность вырезались из
средней части различных проб. На стандартных пробах предварительно
определяли твердость, предел прочности на изгиб и стрелу прогиба. Затем из
мест, указанных на рис.7-1, вырезались темплеты для определения удельного
веса чугуна и образцы для испытания их на герметичность.
[pic]
Рис.7-1. Места отбора проб из стандартного образца:
а - темплет для определения веса;
б - образцы для испытания на герметичность;
в - место определения твердости
Образец для испытаний чугуна на герметичность представляет собой (рис.7-
2) диск диаметром 29.5 мм и толщиной 3.5 мм. В нижней части образца
прорезается 3 - 4 кольцевые канавки на расстоянии 1 - 1.2 мм друг от друга,
служащих для лабиринтного уплотнения. В верхней части образца
предусматривается кольцевая фаска Б, предохраняющая контрольную поверхность
А от затекания жидкости. С целью лучшего обеспечения контроля
|
