Елементи навчально-дослідної роботи.

При виконанні вказаної лабораторної роботи студентам необхідно звернути увагу на проблеми: заміна металографічного мікроскопа біологічним при дослідженнях; вивчення явища температурного гістерезису, побудова на діаграмі фігуративних точок.

Лабораторна робота №2

Тема: Моделювання кристалізації відливки спокійної сталі.

Мета роботи: Геометричною подібністю змоделювати процеси кристалізації та утворення усадкових раковин у відливці; визначити швидкість затвердіння відливки спокійної сталі.

Необхідні прилади, матеріали та інструменти:

1. Установка для дослідження кристалізації.

2. Електроплитка побутова.

3. Термостійка посудина.

4. Термометр (до 100 ºС).

5. Лінійка з міліметровими поділками.

6. Скляна паличка.

7. Тіосульфат натрію.

Теоретична частина

Завершальною стадією сталеплавильних процесів є розливання сталі – операція не менш відповідальна, ніж процес виплавлення металу. Від умов розливання металу і кристалізації відливки залежить її будова, вихід придатного і якість. Процес кристалізації складається з двох етапів: зародження центрів кристалізації та ріст кристалів із цих центрів. Такі процеси залежать від переохолодження рідини, яка кристалізується. При незначному переохолодженні утворюється крупнозерниста структура. При значному переохолодженні – одержується дрібнозерниста структура.

У даний час у металургії, в основному, використовують два способи розливання сталі: у виливниці і на машинах безперервного відливання заготовок (МБВЗ). Виливниці - це чавунні товстостінні форми, які використовуються для одержання стальних відливок масою від 1 до 25 т. Розливання сталі у виливниці проводиться зверху і сифоном (знизу) (рис.2.1.). Кожен із цих способів має певні переваги і недоліки. При сифонному розливанні підвищується: продуктивність праці та якість поверхні відливки. У той же час збільшуються витрати металу на литникові канали.

Залита сталь починає інтенсивно охолоджуватися біля металевих стінок виливниці, внаслідок чого у металі утворюється велика кількість центрів кристалізації, навколо яких виростають дрібні рівновісні кристали. Так утворюється перша зовнішня зона відливки (рис.2.2.).

Після того, як утворилася зовнішня зона відливки об’єм її зменшується, а виливниця, по мірі нагрівання, розширюється. Таким чином, між відливкою і виливницею утворюється щілина та інтенсивність охолодження металу падає. Кристали, які починають утворюватися, на даному етапі мають більші розміри і ростуть у напрямку протилежному відведенню тепла. Ріст таких стовпчастих кристалів продовжується до тих пір, поки має місце направлене відведення тепла від центру відливки до її периферії.

Рис. 2.1. Розливання сталі у виливниці зверху (а) і сифоном (б).

1 - ковш; 2 - струмінь рідкого металу; 3 - литник; 4 - вогнетривкі трубки; 5 - виливниця; 6 - піддон; 7 - литниковий канал; 8 - прибуткова надставка; 9 - теплоізольована надставка.

Рис.2.2. Макроструктура стальної відливки.

1 – зона рівновісних дрібних кристалів,

2 – зона стовпчастих кристалів,

3 – зона великих рівновісних кристалів.

В останній період кристалізації, в умовах повільного тепловідводу, у центральній зоні відливки утворюються великі рівновісні кристали.

Слід відмітити, що у процесі кристалізації зменшується об’єм металу і у верхній частині зливка утворюється усадкова раковина і усадкова пористість. У таких випадках верхня частина відливки відрізняється, так як вона непридатна для подальшого використання. Щоб зменшити витрати металу через таку раковину використовують спеціальні надставки футеровані у середині вогнетривким матеріалом з низькою теплопровідністю (тобто утепляють). Це дає змогу одержати відливку у верхній частині без раковин і пор.

Внаслідок неоднакових температур застигання (кристалізації) різних елементів, а також різної їх густини, більшість легкоплавких і легких елементів (С, S, Р) збирається у верхній частині відливки і має місце так звана ліквація. Практика показує, що цих елементів у верхній частині відливки у 1,5…2 рази більше, ніж у нижній.

Найважливішим фактором, який визначає якість відливки, є швидкість кристалізації металу. Підвищення швидкості кристалізації сприяє роздрібленню кристалів, зниженню ліквації, зменшенні розміру евтектичних утворень і неметалевих фаз розташованих на межах кристалів. Швидкість затвердіння відливки α, мм/с, визначається по емпіричній формулі:

,

де τ - час, с; k - коефіцієнт, який залежить від складу і температури сплаву.

Будова і принцип роботи установки для дослідження кристалізації.

Основним елементом установки (рис.2.3.) є плоска прозора виливниця. Із листового органічного скла товщиною 3…4 мм встановлено на штативі профіль виливниці подібний профілю відливки спокійної сталі і для інтенсивного відведення тепла окантований мідною трубкою 2 прямокутного перерізу, через яку пропускається проточна вода для пришвидшення охолодження відливки. Вказаний холодильник ущільнюється гумовими прокладками.

Герметизація порожнини виливниці проводиться притисканням стінок із органічного скла 9 до мідного холодильника за допомогою болта 8 через жорсткі металеві прокладки 7. Під час проведення експерименту, освітлення у приміщенні повинно бути мінімальним, а виливниця з протилежної сторони яскраво освітлюватися. Як речовина,що моделює кристалізацію спокійної сталі, рекомендується тіосульфат натрію (гіпосульфіт) з температурою плавлення

56 ºС. Тіосульфат натрію розтоплюють у чистій посудині на електричній плитці помішуючи. При досягненні температури 60…70 ºС розплав витримують до 5 хвилин, фільтрують і заливають у виливницю.

Порядок виконання роботи.

Вивчити будову і принцип роботи установки. Розтопити тіосульфат натрію і довести до 60…70 ºС. Увімкнути підсвітку і подати воду у холодильник. Залити тіосульфат натрію у виливниці і почати відрахунок часу кристалізації. Через кожні 10 с на вертикальних і горизонтальних стінках виливниці лінійкою вимірювати товщину закристалізованого шару. Зарисувати відливку. Побудувати графік α-τ. За результатами замірювань визначити коефіцієнт затвердіння К.

Елементи навчально-дослідної роботи.

Виконання цієї роботи пов’язане з такими науковими проблемами: вплив різних факторів на явище кристалізації металів і сплавів; вибір металів для моделювання; технічна точність у розроблені і конструюванні установок для дослідницької роботи; використання набутих знань у роботі вчителя трудового навчання і загальнотехнічних дисциплін.