Работа 2. Изучение литейных свойств сплавов

Цель работы: ознакомить с методами определения жидкотекучести, усадки и склонности к образованию трещин и сравнить литейные свойства чугунов и сталей.

Оборудование:

Для проведения работы необходимы: высокочастотная плавильная печь; опоки; модельная оснастка; набор формовочного инструмента; измерительный инструмент; шихтовые материалы; формовочная смесь; сверло (длина — не менее 100 мм); ручная ножовка; спецодежда; керосин; бюретка; керн; молоток.

Общие сведения:

Литейные сплавы характеризуются: жидкотекучестью, склонностью к образованию усадочных раковин и пористости, горячих и холодных трещин, склонностью к газонасыщению в процессе плавки и газовыделению при кристаллизации, к образованию неоднородности по химическому составу в различных зонах отливки (ликвация) и т. д. Основными, наиболее часто контролируемыми, считаются первые три свойства, которые будут изучены в настоящей лабораторной работе.

Под жидкотекучестью понимают способность металла в расплавленном состоянии заполнять литейную форму и воспроизводить контуры и грани отливки. Жидкотекучесть определяется результирующим влиянием различных физико-химических свойств жидкого металла (его строения, вязкости, поверхностного натяжения, суспензированных включений и газов, характера кристаллизации, теплоемкости, теплопроводности, температуры перегрева и т. д.), а также физико-химических и технологических свойств формы (смачиваемости ее поверхности металлом, газотворности и газопроницаемости формы, ее конфигурации, теплопроводности материала формы, величины напора металла и т. д.). Различают понятия истинной и практической жидкотекучести. Под истинной понимается жидкотекучесть, которая определяется для различных металлов при одинаковом перегреве над температурами нулевой жидкотекучести. Практическая жидкотекучесть определяется при одинаковой температуре заливки.

Основным фактором, определяющим жидкотекучесть, является температура перегрева, так как она оказывает наиболее сильное влияние на вязкость металла и позволяет в нужных пределах на практике регулировать жидкотекучесть. Определяется жидкотекучесть по технологическим пробам, которые можно разделить на три группы: 1) постоянного сечения (спиральная, прутковая, U-образная); 2) переменного сечения (клиновая, шариковая); 3) комбинированная.

Для определения жидкотекучести с помощью проб постоянного сечения (круглого или трапецеидального) длину и площадь сечения полости формы устанавливают таким образом, чтобы металл к моменту остановки не заполнял ее полностью. Мерой жидкотекучести в этих пробах является длина полученного прутка в выбранных условиях заливки и охлаждения.

Pис. 7. Схемы проб для определения жидкотекучести сплавов черных и цветных металлов

В практике отечественного машиностроения широкое распространение получила спиральная проба (рис. 7,а). Форма пробы, состоящая из двух опок, Должна устанавливаться строго горизонтально. Конструкция литниковой системы и соотношение площади поперечного сечения канала и стояка обеспечивают поступление металла в полость формы с некоторой постоянной скоростью при условии, что заливщик держит чашу полной в процессе заливки формы.

Рис. 8. Схемы проб для определения жидкотекучести сплавов цветных

металлов

Для обеспечения этого условия часто стояк закрывают керамической или графитовой пробкой, которую удаляют после заполнения чаши металлом до определенного уровня. Так как основным фактором, определяющим жидкотекучесть в производственных условиях, является температура металла, замерять ее следует тщательно и желательно не в ковше, а непосредственно в чаше после ее заполнения. На модели спирали и соответственно в форме имеются отметки, находящиеся на расстоянии 50 мм друг от друга и облегчающие измерение длины спирали. Жидкотекучесть характеризуется длиной спирали, выраженной в сантиметрах.

U-образная проба Ю. А. Нехендзи (рис. 7, б) широко применяется для определения жидкотекучести литейных сталей. Вертикальный канал диаметром 6 мм, (позволяющий определить жидкотекучесть, находится в металлической вертикальной разъемной форме. Длину прутка измеряют от места перехода широкого стояка в узкий канал. Усовершенствованная разновидность вертикальной пробы представлена на рис. 7,в. Эта проба одновременно позволяет оценить усадку сплава и его склонность к образованию трещин.

Клиновая проба (рис. 8, а) также заливается в металлическую форму. С целью исключения влияния инерции струи на величину жидкотекучести вершину угла клина во время заливки располагают вертикально. О жидкотекучести сплава судят по величине расстояния между затвердевшим металлам и вершиной угла клина: между этим расстоянием и жидкотекучестью установлена обратная зависимость.

Шариковую пробу А. Г. Спасского (рис. 8, б) применяют для определения жидкотекучести цветных сплавов на основе меди, алюминия и магния. Жидкотекучесть, определяемая по этой пробе, тем больше, чем меньше отверстие в отливке под шариком. При заливке пробы клин касается шарика, поэтому в пробе после затвердевания образуется отверстие, диаметр которого характеризует жидкотекучесть сплава.

Усадка. В процессе охлаждения залитого в полость формы жидкого металла происходит уменьшение его объема, а в процессе кристаллизации и последующего охлаждения отливки меняется не только объем, но и линейные размеры. Это изменение принято называть усадкой.

В практике за величину усадки обычно принимают относительные величины, выражающие в процентах изменение объема или длины при охлаждении:

где

εv - объемная усадка тела;

Vo - объем тела при температуре t_o, м³;

V₁ - объем тела при температуре t₁, м³;

ε - линейная усадка тела;

l₀ — длина тела при температуре t_o, м;

l₁— длина тела при температуре t₁, м

Разница между линейными размерами модели (l_мод) и отливки (l_отл). т. е. относительная величина,

называется литейной усадкой. Литейная усадка определяется не только коэффициентом линейной усадки металла отливки, но и конструкцией отливки, условиями извлечения модели из формы, методом ее изготовления и т. д.

Различие между литейной и линейной усадкой легко установить, заливая форму, модели которой приведены на рис. 9. В моделях для определения свободной (рис. 9, а) и затрудненной (литейной) (рис. 9, б) усадок имеются отверстия, расстояния между центрами которых равны 200 мм. Через эти отверстия с помощью керна в стенке формы делаются углубления, которые после охлаждения и очистки отливки позволяют определить разницу между соответствующими размерами модели и отливки.

Рис. 9. Модели для определения свободной и затрудненной усадок

Литейная усадка для различных типов сплавов различна. Так, например, для стали в среднем величина усадки составляет 2%, а для серого чугуна — 1%. При охлаждении отливок от температур заливки до нормальных температур условно можно наблюдать три вида усадки: 1) усадка в жидком состоянии по мере понижения температуры расплава от температур заливки до "температуры кристаллизации (ликвидуса); 2) усадка в жидко-твердом состоянии по мере охлаждения отливки от температуры ликвидуса до температуры солидуса; 3) усадка в твердом состоянии по мере охлаждения отливки от температуры солидуса до температуры окружающей среды.

Полная объемная усадка металла за период охлаждения равна:

Усадка сплава в различные периоды по разному влияет на качество отливок. Наиболее безвредна усадка в жидком состоянии, вызывающая снижение уровня металла в литниковой чаше. Усадка в процессе затвердевания приводит к образованию усадочных раковин, сыпей и рыхлот, что требует принятия специальных мер по обеспечению качества отливки. Усадка в твердом состоянии в процессе неравномерного охлаждения различных частей отливки может вызвать появление остаточных напряжений, коробление отливок, а также образование в них горячих и холодных трещин.

Усадочными раковинами называются пустоты в отливках, образующиеся в результате изменения объема металла в жидком состоянии и при затвердевании. Уменьшение объема металла при охлаждении в твердом состоянии не изменяет относительного объема раковины. Появление усадочной раковины обусловлено понижением уровня жидкого металла относительно затвердевшей наружной оболочки отливки вследствие термического сжатия металла и уменьшения объема при переходе его в твердое состояние.

Практикой работы литейных цехов и экспериментальными исследованиями установлено, что:

а) основная часть объема усадочной раковины составляется из усадки затвердевания и увеличивается с увеличением последней;

б) объем усадочной раковины больше у тех металлов и сплавов, у которых больше коэффициенты объемной усадки в жидком состоянии;

в) усадочная раковина тем больше, чем больше разница между температурой центра отливки и температурой корки в момент ее образования.

Рис. 10. Схема установки прибылей

Следовательно, чем ниже температура заливки металла, тем меньше усадочная раковина. Она меньше также при заливке в нагретые формы по сравнению с заливкой в холодные (в сухие формы по сравнению с сырыми), больше — у толстостенных отливок. Раковины могут быть сравнительно крупных размеров — макрораковины, сконцентрированные в одну или несколько полостей в той части отливки, которая затвердевает последней.

Усадочные раковины малых размеров, неразличимые невооруженным глазом,— микрораковины — образуются в межостных промежутках дендритов или на границах зерен первичной кристаллизации и расположены преимущественно в термическом центре отливки. Они часто связаны с так называемой усадочной рыхлостью, или пористостью, представляющей собой вытянутую вдоль термического центра отливки группу микрораковин, являющихся продолжением концентрированной усадочной раковины.

Наиболее просто бороться с образованием концентрированных усадочных раковин, которые свойственны сплавам с узким интервалом кристаллизации и обычно образуются в отливках с резко выраженным направленным затвердеванием. Для устранения возможности образования раковин в отливках рядом с термическим центром отливки или выше его устанавливается прибыль. Схема установки прибылей показана на рис. 10.

Прибыли могут быть прямые (верхние) и отводные (боковые). Верхние прибыли устанавливают непосредственно на питаемый узел; они могут быть открытые и закрытые (рис. 10, а, б). Боковые, или отводные, прибыли применяют для питания узлов, находящихся сбоку или в нижней части формы (рис. 10, в), и обычно делают закрытыми.

Склонность металла или сплава к образованию усадочных раковин определяют по объему усадочных раковин, образующихся в специальных пробах. Один из наиболее часто встречающихся типов проб показан на рис. 11, а, б.

Рис. 11 Проба для определения склонности

сплавов к образованию усадочных раковин

Для удобства изготовления форм пробу выполняют в виде цилиндра высотой 50 мм и диаметром 100 мм с объемом пробы 600 см3, что является достаточным для замеров усадки сплавов, предрасположенных к ней. Для того чтобы размеры верхней части отливки оставались неизменными от опыта к опыту, она оформляется в съемном кокиле, охлаждающее действие которого регулируется обмазкой. Объем концентрированной усадочной раковины определяют с помощью бюретки, из которой в раковину пробы через высверленное в теле пробы отверстие заливают воду или керосин.

Напряжения в отливках. Внутренние напряжения в отливках возникают вследствие неравномерной и неодновременной усадки различных ее частей. В зависимости от причин, вызывающих неравномерность усадки, внутренние напряжения подразделяются на три вида.

1. Термические (температурные) напряжения, обусловленные различной температурой разных частей отливок в процессе охлаждения.

2. Фазовые напряжения, возникающие в результате неодновременного протекания фазовых и структурных превращений в отливке.

3. Механические (усадочные) напряжения, обусловленные механическим торможением усадки отливки со стороны формы.

Термические напряжения являются основной причиной образования холодных трещин. Горячие же трещины образуются в интервале пластических деформаций при высоких температурах, прилегающих к линии ликвидуса, вследствие чего поверхность их окисляется и они всегда имеют темный излом, чем легко отличаются от холодных. Основная роль в образовании горячих трещин приписывается механическому торможению усадки.

Для определения величины термических напряжений в отливках чаще всего используют технологические пробы — усадочные решетки. Пробы имеют два основных элемента — толстые и тонкие брусья, соединенные перемычками. Одна из разновидностей решеток приведена на рис. 12.

Рис. 12. Прибор для определения величины термических напряжений.

После получения отливки на толстый брус наносят керном метки и тщательно замеряют расстояние между ними, в пространстве между метками брус разрезают и снова замеряют расстояние между ними. Зная величину разности между первым и вторым замером (Δ), можно рассчитать величину напряжений

где

—напряжение в толстом брусе, кГ /мм²;

Δ — разность между замерами, мм;

Е — модуль упругости;

l — длина толстого бруса, мм;

f1 — сечение тонкого бруса, мм²;

f2 — сечение толстого бруса, мм².

Порядок проведения работы

1. Группа студентов, выполняющая работу, должна изготовить одновременно две формы для заливки проб на жидкотекучесть (см. рис. 7, а), две фермы для проб на усадку (см. рис. 11) и две формы для проб на склонность к образованию трещин (см. рис. 12).

2. Параллельно в индукционных печах ведется плавка чугуна, близкого к эвтектическому составу и среднеуглеродистой литейной стали. Перегрев сплавов над расчетной линией ликвидуса должен составить 100—120°С.

3. После проведения всех металлургических операций по выплавке и раскислению сплавов залить формы и охладить отливки.

4. Измерить длину спиралей, полученных при заливке стали и чугуна.

5. Просверлить обе пробы на склонность к образованию усадочных раковин, на глубину 100 мм и залить с помощью бюретки керосин в обе усадочные раковины. Замерить объем залитого керосина.

6. Зачистить поверхность в двух местах на толстом бруске пробы на склонность к образованию трещин и нанести керном две метки. Замерить расстояние между ними и разрезать толстый брусок с помощью ножовки.

7. Измерить расстояние между метками и рассчитать величину внутренних напряжений.

8. Сравнить литейные свойства серого чугуна и стали.

Содержание отчета

1. Эскизные схемы технологических проб на жидкотекучесть, склонность к образованию усадочных раковин и склонность к образованию трещин.

2. Характеристики сплавов (чугуна и стали).

3. Результаты опытов свести в табл. 3.

4. Выводы.

Табл. 3. Результаты испытаний

Сплав	Температура заливки, ^0С	Жидкотекучесть, см.	Объем залитого керосина, см^3	Сечение бруска, мм		Расстояние между метками, мм		Напряжения, кГ/мм^2
				тонкого	толстого	до разрезки	после разрезки
Чугун Сталь