МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ЛАБОРАТОРНЫМ РАБОТАМ ПО ДИСЦИПЛИНЕ ТЕОРИЯ ЛИТЕЙНЫХ ПРОЦЕССОВ

Кроме того, можно изучать влияние состава формовочных смесей на усадку, например: образец № 4 – сырая песчано-глинистая смесь, образец № 5 – сухая песчано-глинистая смесь, образец № 6 – смесь на жидком стекле и т.д.

Можно изучать также влияние скорости охлаждения отливок на их усадку, применяя обычное охлаждение на воздухе и ускоренное за счет обдувки образца струей сжатого воздуха и т.д.

Оборудование, инструмент и материалы

Печь для плавки металла; разливочная ложка или ковш; модели для определения свободной или затрудненной усадки; опоки и формовочный инструмент; хромель-алюмелевые термопары с вторичными приборами – милливольтметрами и потенциометрами; индикаторы со стерженьками; прибор Большакова; секундомеры.

Порядок проведения работы

1.Заформовать пробы на свободную и затрудненную усадку различными формовочными смесями.

2.Установить индикаторы и термопары, как показано на рис. 2.

3.Расплавить алюминиевый сплав и перегреть его до температуры 750 – 800°. Ввести добавки по указанию преподавателя.

4.Залить металл в формы и заметить время окончания заливки.

5.Через каждые 30 с записать температуру и показания индикаторов. Замеры вести в течение 15 – 20 мин.

6.Замерить размеры моделей и подсчитать относительную усадку для отмеченных моментов времени.

7.Построить графики полученных зависимостей по указанию преподавателя.

8.Составить отчет.

Содержание отчета

1.Наименование работы.

2.Цель работы.

3.Порядок выполнения работы.

4.Описание установки и эскизы форм для свободной и затрудненной усадки.

11

5.Расчеты литейной и линейной усадки.

6.Таблица результатов замера показаний индикаторов и значений усадки в зависимости от времени.

7.Графики полученных зависимостей.

8.Основные выводы по работе.

Контрольные вопросы

1.Что такое усадка и какие пороки она порождает?

2.Расположите в ряд по возрастанию значений усадки известные вам сплавы.

3.Что такое литейная усадка и какие способы определения ее существуют?

4.Охарактеризуйте предусадочное расширение и какие факторы вызывают его?

5.Что такое затрудненная усадка отливки?

6.Чем отличается литейная усадка от линейной?

7.Как влияет состав сплава иматериал формы на величинуусадки?

Лабораторная работа № 2 ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ МАТЕРИАЛА ФОРМЫ

И ТЕМПЕРАТУРЫ ЗАЛИВКИ НА ВЕЛИЧИНУ И ХАРАКТЕР РАСПРЕДЕЛЕНИЯ УСАДОЧНЫХ РАКОВИН В ОТЛИВКАХ

Цель работы : изучить явление объемной усадки и образование усадочных раковин и усадочной пористости в отливках, исследовать влияние таких технологических параметров, как материал формы и температура заливки расплава на величину усадочных раковин и на соотношение объема усадочных раковин и усадочной пористости в отливках.

Общие сведения Усадка – это уменьшение объема и размеров отливок при их за-

твердевании и охлаждении. В процессе охлаждения отливка в форме проходит через три различных периода:

12

-охлаждение в жидком состоянии;

-кристаллизация или затвердевание в температурном интервале ликвидус – солидус;

-охлаждение в твердом состоянии.

Общее изменение объема отливки складывается из суммы изменений объема в каждом из этих периодов

εV = ε Vж + εVз + εVт.

Усадка сплава в жидком состоянии определяется изменением размеров кластеров, составляющих жидкий сплав, и изменением межатомных расстояний внутри кластеров. При охлаждении жидкого сплава размеры кластеров растут, доля свободного объема уменьшается, межатомные расстояния в кластерах также уменьшаются, что вызывает усадку в жидком состоянии εVж.

При затвердевании кластеры жидкости срастаются в единые кристаллы, а свободный объем жидкого вещества также суммируется и проявляется ввиде усадочных раковин или пористости, имеющих объем εVз.

При охлаждении твердого вещества межатомные расстояния в кристаллах, составляющих отливки, также уменьшаются, что вызывает усадку в твердом состоянии εVт.

Таким образом, механизм усадки объясняется на микроуровне. Но формы конкретного проявления усадки отливок зависят уже от макропричин или, как говорят, от технологических факторов.

Например, общая величина усадки при затвердевании и охлаждении определяется строением самого металла. Но проявление этой усадки в виде крупных концентрированных усадочных раковин или мелких рассеянных усадочных пор и распределение их по телу отливки зависят уже во многом от размеров отливки, ее конфигурации, от условий охлаждения и т.д.

В частности, усадочные раковины и поры появляются в отливках как результат неодновременного затвердевания наружных и внутренних, тонких и массивных частей отливки. Раковины располагаются в тех частях отливки, которые затвердевают в последнюю очередь. Кроме того, раковины чаще располагаются в верхних частях отливок, что также объясняется внешними факторами, а именно действием силы тяжести, заставляющей жидкость стекать вниз.

13

Измерение объема усадочных раковин и пор

Для определения склонности того или иного сплава к образованию усадочных раковин и пор применяют различные технологические пробы. Это технологическая проба американского бюро стандартов и проба Шварца, используемые за рубежом. В России чаще всего для этих целей используется конусная проба (см. рисунок). Эта проба имеет форму конуса 1, сужающегося книзу. За счет такой формы нижние части пробы затвердевают раньше, верхние – позже, то есть создаются условия для направленного затвердевания снизу вверх. Это способствует образованию концентрированной усадочной

раковины в верхней части пробы. Для ускорения затвердевания ниж-

		ней части пробы она может оформ-
		ляться холодильником 2 из медного
		сплава. В нижней части пробы име-
		ется цилиндрический прилив 3 диа-
		метром 15 мм, служащий для опре-
		деления	нормальной	плотности
		сплава. Верхняя часть пробы закры-
		вается верхним кольцевым холо-
		дильником, представляющим собой
		круглую стальную пластинку тол-
		щиной	3 – 5 мм с	отверстием
		d = 30 мм в центре. Металл в пробу
	Схема пробы измерения объема	заливается через литник 4.
	усадочных раковин	Склонность сплава		к образова-
		нию усадочных раковин и пор оцени-
	и пористости

вают сравнением плотности заведомо здорового участка пробы (прилив 3) с плотностью участка, в котором имеются усадочные дефекты (конусная часть 1). Для этого необходимо измерить плотность, объем и массу пробы плотного сплава. Плотность находят гидростатическим взвешиванием прилива. Объем усадочных пустотVпнаходят поформуле

Vп = V – m/ρ,

где m – масса основной части пробы, г; V – объем основной части пробы, см3; ρ – плотность прилива, г/см3.

14

Влияние материала формы и направленности затвердевания на этой пробе можно изучить, изменяя состав формовочной смеси и устанавливая смежный холодильник в ее нижней части.

Объем концентрированной усадочной раковины в данной пробе измеряют заливкой в раковину керосина из мерной бюретки. Общий объем усадочных полостей (концентрированной и рассредоточенных раковин) определяется косвенным измерением (с помощью гидростатического взвешивания).

Разница между общим объемом усадочных полостей и объемом концентрированной раковины дает объем рассредоточенной усадочной пористости.

Оборудование, инструмент и материалы

Плавильная печь, опоки, модельная оснастка, аналитические и технические весы, термопара с прибором для измерения температуры заливки, штангенциркуль, формовочный инструмент, плавильнозаливочный инструмент, формовочная смесь, дистиллированная вода, шихтовые материалы, спецодежда, керосин, мерная бюретка, ацетон.

Порядок проведения работы

1.Заформовать технологическую пробу для измерения объема усадочных раковин и пористости. (Состав формовочной смеси и задание на установку холодильника дается преподавателем).

2.Рассчитать шихту и приготовить сплав заданного состава.

3.Залить формы сплавом с фиксированной температурой заливки.

4.Выбить отливки, охладить их и очистить от формовочной смеси.

5.Отделить от отливки литниковую систему.

6.Отделить нижнюю цилиндрическую часть пробы.

7.Определить плотность сплава методом гидростатического взвешивания. Для этого следует изготовить из цилиндрической части пробы 3 образец, то есть обрезать неровности и зачистить напильником всевозможные дефекты поверхности, промыть и обезжирить в ацетоне или спирте. Затем взвесить образец на воздухе и в воде (с точностью до 4-го знака). Для взвешивания в воде образец подвешивают на уравнительное коромысло весов с помощью капроновой ни-

ти и погружают в сосуд с дистиллированной водой. Плотность сплава определяют по формуле, г/см3

15

ρспл = mов / (mов – mож),

где mов – масса образца на воздухе, г; mож – масса образца в воде, г. 8. Рассчитать общий объем усадочных пустот в пробе. Для этого следует взвесить на воздухе и в воде конусную часть пробы. По этим данным с использованием закона Архимеда находят объем пробы,

включающий внутренние раковины и поры, см3:

Vп = (mпв – mпж) / ρж,

где mпв – масса пробы на воздухе, г; mпж – масса пробы в воде, г; ρж – плотность воды (1 г/см3).

Отношение масы пробы mпв к плотности сплава ρспл, характеризует истинныйобъем плотногоматериала вданной пробе Vпм = mпв / ρспл, см3.

При этом Vп > Vпм. Разность между этими объемами и составляет величину общего объема усадочных пустот, см3.

Vус.пустот = Vп – Vпм

9.Вскрыть сверлом или керном концентрированную усадочную раковину (если она не выходит на поверхность) и замерить ее объем Vр, заполнив раковину керосином из мерной бюретки или шприца.

10.Рассчитать объем усадочной пористости, см3.

Vус.пор = Vус.пустот – Vр

11.Обобщить результаты измерений в таблице.

12.Составить отчет.

Содержание отчета

1.Описание методики работы.

2.Эскиз технологической пробы.

3.Таблица с результатами измерений и расчетов.

4.Выводы о влиянии материала формы и температуры заливки на величину и распределение усадочных раковин и пористости в пробах.

	Цилиндрическая					Конусная часть
		часть
Но-
	Масса	Масса	Плот-	Масса	Мас-	Общий	Объем	Объем
мер	на	в воде	ность	на	са в	объем	кон-	порис-
проб	возду-	mож, г	ρспл,	возду-	воде	усадочн.	центр.	тости
	хе		г/см3	хе	mпж, г	пустот	усадочн.	Vус.пор ,
	mов, г			mпв, г		Vус.пустот,	раковины	см3
						см3	Vр, см3
1
2
…

16

Контрольные вопросы

1.Из каких составляющих складывается полная усадка сплава?

2.Каков механизм усадки сплавов на микроуровне?

3.Какие факторы определяют образование усадочных раковин в отливках?

4.Какие виды проб применяются для измерения усадки в отлив-

ках?

5.Какую конструкцию имеет конусная проба?

6.Как определяется объем усадочных раковин и пор в пробе?

7.Как влияет материал формы на величину и распределение усадочных дефектов в отливках?

Лабораторная работа № 3 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВЕЛИЧИНЫ ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ

В ОТЛИВКАХ

Цель работы: ознакомление студентов с процессом формирования усадочных напряжений в отливках и изучение факторов, влияющих на величину остаточных напряжений.

Общие сведения

Внутренние напряжения в отливке возникают вследствие неравномерной и неодновременной усадки различных ее частей. Внутренние напряжения могут вызывать образование горячих и холодных трещин, а также коробление отливок.

В зависимости от причин, определяющих неравномерность усадки, внутренние напряжения разделяют на три вида:

1)термические σт , обусловленные разницей температур различных частей отливки, возникающей вследствие неодновременного охлаждения массивных и тонких частей отливки;

2)фазовые σф, возникающие в результате неодновременного протекания фазовых и структурных превращений в отливке;

3)усадочные, или механические σу, обусловленные механическим торможением усадки отливки со стороны формы.

17

Сумма σл = σт + σф + σу и составляет литейные напряжения.

Внутренние напряжения могут быть временными или остаточными. Временные напряжения существуют в отливке до тех пор, пока есть вызывающая их причина. Остаточные напряжения обусловливаются не только внешними, но и внутренними причинами, в данное время не зависят от внешних сил и уравновешиваются в объеме отливки. Остаточные напряжения остаются в отливке после ее изготовления.

Внастоящей работе рассматривается способ определения остаточных напряжений в отливках. Для определения величины термических внутренних напряжений в отливках чаще всего используют технологические пробы, так называемые усадочные решетки. Основные элементы усадочных решеток – это толстые и тонкие брусья, соединенные перемычкой. Разница в скоростях затвердевания и охлаждения брусьев создает в усадочной решетке остаточные напряжения.

Внастоящей работе используется прямоугольная усадочная решетка (см. рисунок), состоящая из одного центрального толстого бруса

идвух боковых тонких брусьев. Все брусья одной длины L. Размеры решётки и брусьев указаны на чертеже. При расчете изгибающим моментом в перекладинах из-за их малой деформации пренебрегаем. С таким допущением расчет растягивающих (в толстом брусе) и сжимающих (в тонких брусьях) напряжений сводится к следующему.

Вусловиях равновесия напряжений (цельной решетки) 2σ1f1 = σ2f2. Откуда

σ1 = σ2f2 / 2 f1,

(1)

где f1 – площадь сечения тонкого бруса, мм2; f2 – площадь сечения толстого бруcа, мм2; σ1 – напряжения в тонком брусе, кг/мм2; σ2 - напряжения в толстом брусе, кг/мм2.

Напряжения σ1 и σ2 вызывают упругие деформации в брусьях, мм,

1 = σ1 L / Е ; 2 = – σ2 L / Е.

Если разрезать толстый брус, то внутренние напряжения в решётке снимутся и брус перейдет в ненапряженное состояние, в результате чего деформация исчезнет и размеры брусьев изменятся. Абсолютное изменение размера будет соответствовать величине упругих деформаций 1 и 2 следующим образом:

= 1 + 2 = σ1 L / Е + σ2 L / Е.

18

	Подставим в это выражение значение σ1 из (1) и получим
	= σ2 L f2 / 2 f1 Е + σ2 L / Е
или	σ2 = Е / [ L(f2 / 2 f1 + 1)],	(2)
где L – длина толстого и тонких брусьев, мм; Е –		модуль упругости

материала отливки; – величина деформации (сокращение размера толстого бруса), мм.

Усадочная решетка для определения величины внутренних напряжений

При расчете по формуле (2) площадь сечения, длину и величину деформации брусьев измеряют на отливке. Значения модуля упругости сплава берут из справочных данных. После определения σ2 рассчитывают σ1 из формулы (1).

Для стали Ст.З Е = (l,5 – 2)10-8 кг/мм2.

Для серого чугуна Е = (1,0 – 1,3)10-8 кг/мм2 .

Для бронзы Е = (0,75 – 1,3)10-8 кг/мм2.

Для силумина Е = (0,7 – 0,75) 10-8 кг/мм2.

Оборудование, инструменты, материалы

Печь для плавки металла, напильник, керн, молоток, штангенциркуль, опоки, модель усадочной решетки, ручная ножовка, формовочный и разливочный инструмент, формовочная смесь, спецодежда.

19

Порядок проведения работы

1.Изготовить по модели две формы усадочной решетки. Подвод металла осуществлять в торцевую часть толстого центрального бруса.

2.Подготовитьсплавизалитьформысразнойтемпературойзаливки.

3.Охладить отливки в форме, выбить формы, охладить и очиститьотливки.

4.Зачистить напильником или на наждачном станке два участка на поверхности толстого бруса на расстоянии 8-10 мм друг от друга.

5.С помощью керна нанести метки на зачищенных участках и измерить расстояние между ними с точностью 0,01 мкм.

6.Определить длину и площадь сечения брусьев.

7.Разрезать толстый брус ножовкой между отметками, и повторно измерить расстояние между отметками на каждой решётке.

8.Записать все данные в таблицу, рассчитать напряжения и составить отчет.

Содержание отчета

1.Эскиз усадочной решетки, ее описание.

2.Описание методики расчета напряжений.

3.Таблица с результатами опытов и расчетов (образец дан ниже).

4.Выводы.

Назва-	Модуль	Дефор-	Размер сече-			Расстояние между			Внутренние
ние	упруго-	мация	ния брусьев,			отметками керна,			напряжения,
(марка)	сти	, мм		мм			мм		кг/мм2
сплава	Е,кг/мм		Тон-		Тол-	До раз-		После	В	В
	2		кий		стый	резки		разрез-	тон-	тол-
								ки	ком	стом
									брусе	брусе

Контрольные вопросы

1.Какие виды напряжений возникают в отливках?

2.Чем отличаются временные напряжения от остаточных?

3.Чем вызываются напряжения в отливках?

4.Как влияет конструкция отливки на величину напряжений?

5.В каких частях отливки возникают растягивающие и сжимающие напряжения?

6.Как влияет материал отливки на напряжения в ней?

20