1.5. Линейная усадка сплавов и отливок

Линейная усадка сплавов. Линейная усадка сплава, так же, как и объемная усадка, является его физической характеристикой. Ее можно приближенно определить по известной зависимости тем­пературного коэффициента линейного расширения от температу­ры, по которой можно найти среднеинтегральную величину этого коэффициента α_lср. Собственно линейную усадку ε_l сплава при­ближенно оценивают по уравнению

где Т_с, Т_н — соответственно температуры солидуса и окружающей среды (цеха).

Для примера можно привести расчет для силуминов (алюминиево-кремниевые сплавы). При этом вместо α_lср можно в первом приближении принять его значение в более узком интервале тем­ператур (например, 20..300'С)¹. Для сплава АЛ2 Т_с = 848 К, Т_н = 293 К, α_lср = 23,3*10 ^-6 К^-1 и

.

Для силуминов линейная усадка отливок со­ставляет 1,2... 1,4%.

Для серого чугуна приближенный расчет показывает также похожую на реальные значения величину: α_lср = 11*10^-6 К^-1, Т_с = = 1403 К, Т_н = 293 К

и α_{l (СЧ)} = 1,24 %.

Можно также оценить линейную усадку сплава по известной объемной его усадке в твердом состоянии или общей (суммар­ной) объемной усадке :

. (11)

Линейная усадка отливок. Линейная усадка отливок является технологическим свойством и определяется свойствами сплава и его взаимодействием (тепловым, силовым и химическим) с ли­тейной формой.

Величина линейной усадки отливок на рассматриваемом раз­мере определяется по разности двух размеров: размера l_м модели между двумя поверхностями и размера отливки между теми же поверхностями, которые выполняются моделью. Измерение од­ного и того же размера модели можно проводить три раза, чтобы вычислить среднюю арифметическую величину. Измерение соот­ветствующего размера отливки необходимо производить на мини­мальной выборке 13 штук одинаковых отливок и находить среднеарифметическую величину размера. Среднеарифметическая величина линейной усадки отливки на этом размере определяется по уравнению

. (12)

Путем одного измерения размера на отливке и нахождения по уравнению (12) определяется случайная величина линейной усадки. Размер отливки имеет допускТ₀. Поэтому среднеарифметическая линейная усадка будет иметь допуск Т_о/Х_о100 %.

Если = 1,0 %,Х_о = 100 мм и Т_о = 1 мм, то линейная усадка отливки этого размера составит 1,0±0,5 %, т.е. у партии реальных одних и тех же отливок линейная усадка будет колебаться от 0,5 до 1,5%. Замерив случайный размер и определив по его значению линейную усадку размера отливки, можно сильно ошибиться. Даже если допуск размера будет 0,2 мм, линейная усадка размера от­ливки будет колебаться от 0,9 до 1,1 %.

Поэтому для определения линейной усадки отливок образцов изданного сплава необходимо изготовить минимум 13 образцов, произвести их измерения, найти среднеарифметическую величи­ну и определить среднеарифметическое значение линейной усад­ки рассматриваемого размера.

Кроме изготовления проб-образцов и их измерения двухточеч­ным инструментом используют установки, в которых записывают изменение длины пробы-образца. Для цветных сплавов разрабо­тан ГОСТ 16817—71 (рис. 1.16), в соответствии с которым отлива­ется проба в сухую песчаную или металлическую (полукокиль­ную) форму. Проба представляет собой призматический образец сечением 25x25 мм и длиной 130 мм с выемками с обоих концов. В результате усадки или расширения образец 5 перемещает по­движный стержень 3 формы, что фиксируется стрелочным инди­катором 2 Запись показаний после заливки позволяет получить характерную кривую (рис. 1.17).

После заливки образец начинает увеличиваться от размера мо­дели l_м, затем его размер в какой-то момент достигает максиму­ма, после этого происходит уменьшение размера образца. В опре­деленный момент образец возвращается в исходное состояние, и начинается процесс собственно усадки до длины образца l₀. Величина Δl_пр названа предусадочным расширением, которое является характерным для всех сплавов. Наиболее общей причи­ной следует назвать термическое расширение формы, особенно сы­рой песчано-глинистой. Кроме того, как уже выше было отмече­но, предусадочное расширение образцов из чугунов с графитом связано с расширением при за­твердевании и постэвтектическим расширением. Наконец, предуса­дочное расширение в некоторых случаях связано с газонасыщенностью сплава и выделением газов при затвердевании.

Рис. 1.16. Схема формы для определения линейной усадки цветных сплавов

по ГОСТ 16817-71:

1 — корпус; 2 — индикатор; 3 — подвижный стержень; 4 — формовочная смесь; 5 — образец;

6 — неподвижный стержень

Рис. 1.17. Кривая усадки с предусадочным расширением

С учетом предусадочного расширения и других факторов («рас­талкивание» модели при ее выеме, «подутие» под действием дав­ления жидкого металла, образование шероховатости) линейная усадка отливки в сырую песчано-глинистую форму может быть отрицательной величиной, т.е. размер отливки оказывается боль­ше размера модели.

Примем, что линейная усадка сплава равна 1,0%, «подутие» отливки вместе с «расталкиванием» модели Δl_п = 0,2 мм, шерохо­ватость R_z = 0,2 мм. Тогда линейная усадка отливки составит

. (13)

Знак «-» относится к охваты­ваемым формой размерам отлив­ки, а «+» — к охватывающим фор­му размерам отливки.

По уравнению (13) построе­ны зависимости линейной усадки отливки от номинального значе­ния ее размера l_o (рис. 1.18).

Линейная процентная усадка сплава не зависит от номиналь­ного размера и составляет в рас­сматриваемом случае 1,0%. Ли­нейная же усадка отливокока­зывается зависимой от номиналь­ного значения размера. Для охва­тываемых формой размеров ли­нейная усадка отливки= 0 приl_o = 80 мм, при меньших размерах < 0 (отрицательна), поэтому для размеров отливки, меньших 80 мм, размер модели необходи­мо делать меньше размера отливки. Для охватывающих форму раз­меров отливки ее линейная усадка всегда больше линейной усад­ки сплава (при размереl_o = 80 мм она больше ее в два раза).

Рис. 1.18. Зависимости линейной

усадки для размеров отливки,

охватываемых формой (1) и

охватывающих форму (2)

Следует обратить внимание на шероховатость. При измерении размера контактным инструментом шероховатость всегда входит в размер. Поэтому при определении размера отливки на чертеже ее (шероховатость) необходимо включать в его состав. Особенно это важно для размеров необрабатываемых отливок, так как в припуск на механическую обработку шероховатость включена. Кроме того, шероховатость неизбежно увеличивает массу отливки. Поэтому важ­ным показателем качества является чистота поверхности отливки.

При проектировании модельно-стержневой оснастки линейную усадку отливки учитывают двумя способами в зависимости от се­рийности производства и, следовательно, от материала оснастки.

Первый способ используют в индивидуальном и мелкосе­рийном производстве, когда применяют деревянные модели. Ин­женер-технолог назначает одинаковую среднюю линейную усад­ку отливки на все ее размеры в процентах (например, 1,0 %). Мо­дельщик перед изготовлением модели вычерчивает на листе фа­неры чертеж отливки с использованием усадочных металличес­ких линеек с заданным процентом линейной усадки. Инструмен­тальные заводы изготовляют металлические линейки (метры) с учетом линейной усадки от 0,5 до 2,5 % через каждые 0,25 %. Каж­дое деление усадочной линейки больше нормального деления на указанный процент усадки. Так, усадочный метр с 1,5% усадки имеет 1000 делений с общей длиной 1015 мм. Затем при изготов­лении оснастки модельщик каждый размер берет со сделанного чертежа, и, таким образом, размер модели получается больше раз­мера отливки на величину заданной линейной усадки отливки.

Второй способ используют в крупносерийном и массовом производстве, когда необходимо и целесообразно применять ме­таллические или пластмассовые модели. В этом случае делается чертеж модели, особенностью которого является дробность раз­меров модели, так как они должны быть даны с учетом линейной усадки отливки. Подразумевается, что разные размеры могут иметь неодинаковую усадку в разных направлениях. При этом уменьша­ется масса отливок и достигается экономия металла.