Основы теории формирования отливки

Министерство образования и науки Российской Федерации 
Сибирский федеральный университет 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
ОСНОВЫ  ТЕОРИИ  
ФОРМИРОВАНИЯ  ОТЛИВКИ 
 
 
 
Допущено Учебно-методическим объединением по 
образованию в области металлургии в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений,  обучающихся  по  направлению «Металлургия»,
 
17.12.2013 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Красноярск 
СФУ 
2014 

УДК 621.746(07) 
ББК 34.612я73 
О-753 
 
Рецензент: 
Л. А. Оборин, кандидат технических наук, профессор,  
советник генерального директора ОАО «Красмаш» по науке и технике 
 
Авторы: 
Т. Р. Гильманшина, В. Н. Баранов, В. Г. Бабкин, А. М. Синичкин,  
А. И. Безруких, Е. М. Лесив, С. И. Лыткина 
 
 
 
 
О-753 
 
Основы теории формирования отливки : практикум /  
Т. Р. Гильманшина, В. Н. Баранов, В. Г. Бабкин [и др.]. – Красноярск : Сиб. федер. ун-т, 2014. – 148 с. 
 
ISBN 978-5-7638-2965-5 
 
 
 
 
Практикум состоит из двух разделов. В первом разделе представлены 
лабораторные работы. В каждой работе приведены краткие теоретические 
сведения,  используемое оборудование и методика обработки полученных 
экспериментальных данных.  
Второй раздел посвящен практическим работам. В каждой работе приведены краткие теоретические сведения, методики расчета, представлен порядок выполнения работ. 
Предназначен для студентов, обучающихся по профилю 150400.62.04 
«Литейное производство черных и цветных металлов» укрупненной группы 
150000 «Металлургия». 
 
 
 
Электронный вариант издания см.: 
http://catalog.sfu-kras.ru 
 

УДК 621.746(07) 
ББК 34.612я73 
 
 
 
 
 
 
 
ISBN 978-5-7638-2965-5 
© Сибирский федеральный университет, 2014 

ВВЕДЕНИЕ 
 
Улучшение качества отливок и получение их с заданными служебными и технологическими свойствами – фундаментальная научнотехническая проблема литейного производства, успешное решение которой обусловливает эффективность технологии литья как основной в производстве заготовок для различных отраслей машиностроения и приборостроения.  
В настоящее время для обеспечения высокого качества отливки литейщику необходимы знания физических процессов, происходящих при 
заливке и заполнении форм расплавом; гидравлических процессов, которые зависят от свойств, сплава и формы; правильности расчетов всех полостей формы и скорости заполнения их расплавом. Физико-химические 
процессы, происходящие на границе металл–форма определяют все основные поверхностные дефекты в отливках. Умение управлять этими процессами, прогнозировать возможные виды взаимодействий позволяет литейщику разработать комплекс мер, обеспечивающих получение высококачественный литых изделий. 
Задачами дисциплины являются формирование различных компетенций у студентов на основе следующих знаний, умений и навыков: 
– умения использовать постоянно обновляющиеся информационные 
средства и технологии, а также анализировать сведения о развитии науки в 
области формирования отливки; 
– владения навыками выбора материалов, оборудования и технологических операций для изготовления изделий различного назначения литьем; 
– умения анализировать технологический процесс получения литых 
изделий, определяющий качество металлопродукции, энерго- и ресурсосбережение. 
– умения анализировать и прогнозировать получение высококачественных отливок, основываясь на полученных знаниях по теории литейных 
процессов. 
Целью лабораторного практикума является формирование следующих умений: выполнять необходимые экспериментальные исследования 
процессов, протекающих при приготовлении литейных сплавов и формировании отливок, и определять физико-механические и технологические 
(литейные) свойства сплавов. 
Задачи сводятся к приобретению студентами следующих навыков: 
определение физико-механических и технологических (литейных) свойств 
металлов и сплавов и возможность на основе полученных данных давать 
дальнейшие рекомендации по способу изготовления отливок; квалифицированное применение основных средств контроля за качеством отливок; 
обоснование причины образования дефектов в отливках и рекомендация 
методов их предупреждения. 

Полученные на лабораторных занятиях практические навыки позволят студенту обоснованно оценивать свойства сплавов и давать рекомендации для изготовления отливок исходя из условий их дальнейшей работы, 
а также учитывая химический состав и структурное состояние исходного 
сплава.  
Целью практических работ, предусмотренных рабочей программой 
дисциплины «Теоретические основы литейного производства», является 
освоение студентами наиболее простых и универсальных методов расчета 
параметров заполнения форм расплавом, размеров ковшей и элементов 
литниковых систем, тепловых процессов в литейной форме, параметров 
усадки при кристаллизации и охлаждении отливок.  

1. ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ 
 
Л а б о р а т о р н а я  р а б о т а  1  

ОПРЕДЕЛЕНИЕ КРАЕВОГО УГЛА СМАЧИВАНИЯ  
МАТЕРИАЛОВ ЛИТЕЙНЫХ ФОРМ 
 
 
Цель работы  

Изучение методики и определение краевого угла смачивания материалов литейных форм. 
 
 
Задачи лабораторной работы 

Освоить методики определения поверхностного натяжения жидкостей и краевого угла смачивания материалов. 
Исследовать влияние типа материала литейных форм на изменение 
краевого угла смачивания глицерина методом «лежащей капли». 
 
 
Краткие теоретические сведения  

В различных технологических процессах плавки сплавов и получения отливок имеют место явления, происходящие на границах раздела 
жидких сплавов со шлаками, с газовой фазой и вакуумом, поверхностями 
песчаных и металлических форм и т.п. Поверхностные явления оказывают 
большое воздействие на качество выплавляемых сплавов, процессы кристаллизации и формирование кристаллической структуры, обусловливают 
химическую неоднородность отливок, влияют на заполняемость форм, 
особенно для тонкостенных отливок, качество поверхности отливок и другие стороны литейного процесса. В основе этого влияния лежит факт, что 
состояние атомов в поверхностных слоях жидких сплавов существенно отличается от состояния атомов в объеме жидкости. 
При соприкосновении двух или нескольких фаз на границе раздела 
(например, при соприкосновении расплава с материалом формы) образуется скачок свободной энергии. В результате между фазами возникают силы 
взаимодействия, пропорциональные свободной энергии. Если энергия связи между частицами различных фаз преобладает над энергией связи между 
частицами в каждой фазе, то сближение сопровождается выделением энергии и увеличением термодинамической устойчивости всей системы. Такое 
взаимодействие между поверхностными слоями двух или более соприкасающихся разнородных фаз называют адгезией. 

Величину адгезионного взаимодействия можно определить в процессе удаления жидкости с поверхности твердого тела. Адгезионное взаимодействие между жидкостью и твердым телом распространяется на небольшое расстояние в глубь жидкости. Это расстояние измеряется размерами молекул или несколько больше. По мере удаления слоя жидкости от 
поверхности твердого тела адгезионное взаимодействие уменьшается, уступая место когезионному, т.е. взаимодействию между молекулами в объеме жидкости. 
Адгезия жидкости оценивается работой, которую надо затратить для 
отрыва жидкости от твердой поверхности, т.е. для восстановления исходного состояния контактирующих тел. Следовательно, работа адгезии будет 
в значительной степени определять чистоту поверхности отливки. Чем 
больше работа адгезии, тем сильнее сцепление расплава с формой. 
Адгезионное взаимодействие зависит от величин, которые обусловливают свойства поверхностей (удельная свободная поверхностная энергия и поверхностное натяжение). 
Отдельные атомы внутри жидкости связаны между собой взаимно 
уравновешенными силами, поэтому жидкость находится в покое (рис. 1.1). 
Равновесие атомарных сил, однако, нарушено на поверхности, где жидкость контактирует с другой средой, например, со стенкой формы, воздухом и т.п. Здесь атомы металлы имеют меньше соседей, чем внутри расплава. Вследствие этого силы притяжения на поверхности расплава не 
уравновешиваются,  а возникают силы, направленные внутрь расплава 
перпендикулярно к его поверхности, называемые поверхностным натяжением. В результате на внутренние слои расплава, лежащие непосредственно под его поверхностью, действует давление, которое снижается пропорционально восьмой степени расстояния от поверхности. 
Поверхностное натяжение σ соответствует силе F, которую необходимо приложить, чтобы увеличить периметр поверхности расплава на единицу длины l, или работе А, которую необходимо произвести для увеличения поверхности жидкости S на единицу площади по формулам 
 
σ = dF / dl или  σ = dA / dS. 
 
Поверхностное натяжение измеряется в Н/м или Дж/м2.  
Значения поверхностного натяжения некоторых сплавов и металлов 
приведены в табл. 1.1. 
Термодинамика рассматривает поверхностное натяжение как меру 
изменения свободной энергии системы при изменении ее поверхности: 
 
dz = σdS. 
 

Рис. 1.1. Равновесие молекулярных сил  
в расплаве 
 
 
Таблица 1.1 
Поверхностное натяжение некоторых металлов и сплавов 
 

Металл 
Температура, при которой  
произведено измерение, оС 
Поверхностное натяжение, Н/м.10–3 

Олово 
   232 
  526 

Алюминий 
– 
  300 

Медь 
1 181 
1 103 

Сталь 0,3 % С 
1 520 
1 500 

Серый чугун 3,9 % С 
1 300 
1 150 

Ковкий чугун 3,1 % С 
1 420 
1 500 

Вода 
     20 
81 (для сравнения) 

 
Как видим, самопроизвольными могут быть только те процессы, которые сопровождаются уменьшением поверхности раздела фаз, поскольку 
только в этом случае dS < 0 и dz < 0. 

а  
 
 
                 б   
 
 
 
 в 
 
Рис. 1.2. Действие поверхностного натяжения на границе контакта двух сред:  
а – расплав не смачивает форму; б – расплав индифферентен к форме;  
в – расплав смачивает форму 
 
Если силы, связывающие атомы, больше сил взаимодействия между ними и другой средой, например стенкой формы, то вследствие неуравновешенности сил поверхность жидкого металла приобретает выпуклую форму (рис. 
1.2, а). Натяжение, возникающее на границе контакта между формой и расплавом, при этом уравновешивается некоторым превышением уровня металла над 
местом контакта. Форма, таким образом, оказывает противодействие контакту 
металла с ней, т.е. она оказывается металлофобной – несмачиваемой. 
Примем следующие обозначения: 1 – расплав, 2 – воздух, 3 – форма. 
Теоретически на границе раздела этих трех сред вследствие описанного 
эффекта действуют силы поверхностного натяжения. На границе между 
расплавом и воздухом поверхностное натяжение составит σ1,2; между расплавом и формой – σ1,3 и между воздухом и формой – σ2,3. В данном случае 
σ1,3 > σ2,3. В соответствии со схемой на рис. 1.2, а можно записать: 
 
σ = dF / dl или  σ = dA / dS. 
 
Тогда 
 

1,3
2,3

1,2
cos
σ
− σ
δ =
σ
, 

 
где cos δ – краевой угол смачивания, который характеризует смачиваемость и определяется значением угла между поверхностью твердого тела и 
касательной к точке контакта с жидкостью и отсчитывается всегда в сторону жидкой фазы (рис. 1.3). 
Несмачиваемость формы играет положительную роль, в частности 
препятствует проникновению расплава в поры поверхности формы и образованию механического пригара на отливках. 

а                                                                б 
Рис. 1.3. Схема смачивания жидкостью поверхности твердого тела: 
а – капля жидкости на смачиваемой поверхности (δ < 90°); б – капля 
жидкости  на  несмачиваемой  поверхности  (δ > 90°);   ж –  расплав;   
т – форма; г – воздуха 
 
Если поверхностное натяжение на границе между расплавом и формой и между воздухом одинаково, т.е. σ1,3 = σ2,3, (рис. 1.2, б), то форма индифферентна по отношению к металлу. В этом случае на границе контакта 
металла с формой не происходит ни подъема, ни опускания уровня расплава. В уравнении (1.1) пропадает второй член, так как δ = 90°, то cos δ = 0.  
Тогда 
σ1,3 = σ2,3. 
 
Третий возможный вариант: σ1,3 < σ2,3, как показано на рис. 1.2, в. 
Здесь справедливо равенство 
 
σ2,3 = σ1,2 cos δ, 

2,3
1,3

1,2
cos
.
σ
− σ
δ =
σ
 

 
В этом случае уровень металла на границе контакта с формой повышается, металл поднимается на стенку формы, т.е. она является смачиваемой (металлофильной). Смачивание формы способствует проникновению 
металла в поры ее поверхности, образованию пригара на отливках, а также 
более полному заполнению тонких сечений отливок и получению более 
точного отпечатка полости металлом. 
Смачиваемость и несмачиваемость формы зависят от химического 
сродства металла и формы. Например, форма из смеси на основе кварцевого песка для сплавов железа является несмачиваемой. Однако из-за быстрого окисления поверхности расплава стали и чугуна на их поверхности 
образуется пленка из оксидов железа, которая является причиной повышения смачиваемости. Если в стали и чугуне содержится алюминий, то на их 
расплаве образуется пленка оксида алюминия, поверхностное натяжение 
повышается и форма плохо смачивается металлом.