Книга
← К списку книгЗагрузка разделов…
активнаАктивные записи участвуют в каталоге и синках. Неактивная книга скрыта, но не удалена из базы.
Книга
ПРЕДИСЛОВИЕ
Учебное пособие предназначено для студентов, обучающихся по специальности «Литейное производство черных и цвет- , ных металлов». Оно составлено так, чтобы, ознакомившись с содержанием работ и изучив рекомендуемую литературу и ГОСТы, студенты могли самостоятельно решать поставленные задачи.
Пособие включает 47 работ. Большая часть из них носит исследовательский характер, содержит необходимые теоретические сведения и описание методики их выполнения. Работы 1—7, 9—25, 27—34, 40 и 47 рекомендуются как обязательные для студентов, обучающихся по специальности «Литейное производство черных металлов и сплавов», а работы 1—7, 9—25, 35—43, 47 — для студентов, обучающихся по специальности «Литейное производство цветных металлов и сплавов». Перечень обязательных работ должен корректироваться с учетом реальных возможностей лабораторий.
В пособии представлены работы по четырем профилирующим курсам: «Технологические основы литейного производства», «Теоретические основы литейных процессов», «Производство отливок из сплавов на основе железа», «Производство отливок из сплавов цветных металлов». Объем работ по каждому курсу пропорционален числу часов лабораторных занятий, предусмотренных учебным планом.
При составлении пособия предусмотрено, что все работы будут выполняться бригадами из двух студентов. В целях экономии времени персоналом лаборатории могут быть выполнены вспомогательные операции (разогрев плавильных печей, подготовка шихтовых материалов и необходимых реактивов, подготовка формовочных материалов и смесей).
’В зависимости от возможностей лаборатории и числа студен
тов работы можно выполнять параллельно или последовательно.
ц Предпочтительнее параллельное выполнение работ, так как при последовательном выполнении, когда вся группа выполняет одну и ту же работу, требуется большое число одинаковых приборов, установок и приспособлений.
На первом лабораторном занятии по каждому курсу препода- { ватель должен ознакомить студентов с задачами лабораторного практикума, требованиями, предъявляемыми к отчетам, правилами внутреннего распорядка лаборатории. В ряде случаев преподава-
тель должен напомнить студентам некоторые теоретические све- > дения, непосредственно относящиеся к той или иной работе, либо организовать показ тех или иных операций.
После вводной беседы преподаватель знакомит студентов с правилами техники безопасности, что фиксируется в специальном журнале. Студенты, не усвоившие правил техники безопасности, к выполнению работ не допускаются.
Приступая к выполнению работы, студент должен изучить ее описание, ознакомиться с рекомендованной литературой и составить краткий конспект с указанием цели работы, технологических параметров основных процессов, схем установок и приборов.
В начале каждого лабораторного занятия студенты должны защитить отчет по предыдущей работе и получить допуск к выполнению новой работы.
РАЗДЕЛ I
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ
ЛИТЕЙНОГО ПРОИЗВОДСТВА
ГЛАВА 1. СВОЙСТВА ФОРМОВОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ
И СМЕСЕЙ
Значительную часть отливок (около 80 %) из различных сплавов получают в разовых песчаных сухих или сырых формах. Литейная разовая песчаная форма в большинстве случаев состоит из двух полуформ: верхней и нижней, каждую из которых изготовляют уплотнением формовочной смеси вокруг соответствующих частей (верхней или нижней) модели. Стержни, представляющие собой части формы, с помощью которых получают внутренние полости или сложные внешние очертания отливок, изготовляют уплотнением смесей в стержневых ящиках. Чтобы улучшить качество поверхности, отливки формы и стержни припыливают различными материалами, не взаимодействующими с расплавленным металлом, наносят слой покрытия или вводят в состав смесей различные добавки, которые при заливке металла в форму возгоняются или выгорают, создавая газовую прослойку между металлом и поверхностью формы и препятствуя тем самым взаимодействию металла и материала формы.
Формовочные и стержневые смеси, покрытия и припылы приготовляют смешением различных исходных материалов.
Исходные материалы подразделяют на основные (пески, глины, связующие) и вспомогательные (противопригарные добавки, покрытия и др.). Качество основных и вспомогательных материалов, методы их испытаний регламентируются ГОСТами или техническими условиями.
Улучшение свойств смесей достигается введением в их состав связующих материалов, которые обеспечивают высокую общую и поверхностную прочность форм и стержней после высушивания или другой обработки, высокую текучесть, низкую газотвор- ность, повышенные газопроницаемость, податливость и выбивае- мость смесей, исключают прилипаемость смесей к моделям и стержневым ящикам. Классификация связующих, основанная на их химической природе, отношении к воде, способности придавать смесям прочность, приведена в табл. 1.
В настоящее время широкое применение при изготовлении стержней в нагреваемой и холодной оснастке находят синтетические смолы. Карбамидофурановые смолы (КФ-90, КФ-40, КФ-35) исцользуют при изготовлении стержней для отливок из чугуна
к
С в
а
ф S S
о
Название
Характер процесса затвердевания
л ° « £ я м
«£о
А
1
А-1
Синтетические смолы, ПК-104 (пульвербакелит), высыхающие масла, олифа, льняное масло, П
Необратимый
5
2
А-2
Смолосодержащие продукты и их комбинации с органическими водными материалами, ГТФ, ДП, БК, 4ГУ
Промежуточный
3—5
3
А-3
Смолосодержащие продукты, пеки (древесный, торфяной, каменноугольный), канифоль
Обратимый
3
Б
1
Б-1
Синтетические смолы, М, МФ-7
Необратимый
5
2
Б-2
Коллоидные растворы органических веществ и эмульсии неводной органической фазы в водной среде с растворенными органическими материалами, СП, СБ, КР, декстрин
Промежуточный
3—5
3
Б-3
Коллоидные растворы органических веществ, ССБ, патока
Обратимый
3
В
1
В-1
Жидкое стекло
Необратимый
5
и стали, карбамидные смолы (УКС, М-19-62, М-2, М-3 и др.) — в основном для стержней при производстве отливок из цветных металлов и сплавов, фенолформальдегидные смолы (ОФ-1, СФ-3042)— при изготовлении стержней в холодной оснастке при производстве стальных и чугунных отливок, а связующее на их основе (ПК-104) — для изготовления оболочковых форм и стержней.
Улучшение чистоты поверхности отливок достигается нанесением на рабочую поверхность форм и стержней специальных противопригарных покрытий или припылов.
Некоторые технологические свойства формовочных смесей улучшают введением следующих добавок:
древесных опилок влажностью 20—25 % для увеличения податливости форм;
крахмалита (кукурузного крахмала) для повышения поверхностной прочности сырых форм;
6
бокситов в виде молотого порошка с размером частиц менее 0,5 мм, асбестовой крошки и сахаросодержащих веществ (гидрола) для улучшения выбиваемости жидкостекольных смесей;
фтористых солей, борной кислоты или серного цвета (порошка серы) для предотвращения химического взаимодействия магниевых сплавов с кремнеземом.
Работа 1
ОПРЕДЕЛЕНИЕ МАРКИ ФОРМОВОЧНОГО ПЕСКА
Общие сведения
Основной частью формовочных песков, наиболее часто используемых при изготовлении форм и стержней, являются зерна кварца. Кроме них в состав многих песков входят глинистые минералы в количестве, не превышающем 50 %.
В соответствии с ГОСТ 2138—84 формовочные пески делят на обогащенные и природные (необогащенные). В зависимости от содержания глинистой составляющей, кремнезема, вредных примесей и основной фракции обогащенные пески подразделяют на классы 061 К, О62К, ОбЗК (табл. 2).
Природные формовочные пески в зависимости от содержания глинистой составляющей делят на кварцевые К, тощие Т, полужирные П, жирные Ж и очень жирные ОЖ- Кварцевые пески в свою очередь подразделяют на классы в зависимости от содержания кремнезема и вредных примесей: IK, 2К, ЗК, 4К (табл. 3).
Зерновой состав песка определяют с помощью ситового анализа — рассева песка через набор стандартных сит. Основной фракцией песка считается наибольшая сумма остатков просеянного песка на трех смежных ситах, выраженная в массовых частях. Для рассеивания песка установлен следующий набор сит: Номер сита 2,5 1,6 1 063 04 0315
Размер стороны ячейки, мм 2,50 1,60 1,00 0,630 0,400 0,315
Номер сита 02016010063005
Размер стороны ячейки, мм 0,2500,1600,10,0630,050
Природные пески по сумме остатков на трех смежных ситах делят на пески с сосредоточенной зерновой структурой, у которых преобладающая масса зерен составляет не менее 70 %, и пески с рассредоточенной зерновой структурой, преобладающая масса зерен которых не менее 60 %.
Кварцевые пески с рассредоточенной зерновой структурой делят на крупные КРК, средние КРС, мелкие КРМ и с общей рассредоточенностью КРО. Классификация природных кварцевых песков с рассредоточенной зерновой структурой приведена в табл. 4.
В зависимости от величины остатка основной фракции па двух крайних ситах формовочные пески делят на две категории: А
> Классификация обогащенных кварцевых формовочных песков
Марка песка
Содержание глинистой составляющей, %, ие более
Основная фракция
Содержание кремнезема (sioa, %, не менее
Содержание вредных примесей, %, ие более
Номер сита
Сумма остатка, %, ие менее
Оксиды щелочноземельных металлов (Na2O + + к2о + + СаО + + MgO)
Оксиды железа (Fe2Oa)
О61К0315
0,2
04; 0315; 02;
80
98,5
0,40
0,20
О62К0315
0,5
75
98,0
0,75
0,40
О63К0315
1,0
04; 0315; 02
70
97,0
1,00
0,60
О61К02
0,2
0315; 02; 016
80
98,5
0,40
0,20
О62К02
0,5
75
98,0
0,75
0,40
О63К02
1,0
0315; 02; 016
70
97,0
1,00
0,60
О61К016
0,2
02; 016; 01
80
98,5
0,40
0,20
О62К016
0,5
75
98,0
0,75
0,40
О63К016
1,0
02; 016; 01
70
97,0
1,00
0,60
О61К01
0,2
016; 01;
0063
70
97,0
0,40
0,20
О62К01
0,5
70
97,0
0,75
0,40
О63К01
1,0
016; 01;
0063
70
97,0
1,00
0,60
ОбКРО
1,0
04; 0315; 02; 016
70
97,0
1,00
0,60
и Б. К категории А относят пески с большим остатком на крайнем верхнем сите (из трех смежных), а к категории Б — пески с большим остатком на крайнем нижнем сите. Обозначение марки формовочного кварцевого песка с сосредоточенной структурой состоит из обозначения класса, номера среднего сита основной фракции и категории.
Например, марка песка 1К0315А означает, что это кварцевый песок класса 1К, основная фракция которого сосредоточена на ситах № 04, 0315 и 02, а буква А говорит о том, что остаток на смежном сите № 04 больше, чем на сите № 02. Если бы вместо буквы А в указанной марке песка стояла буква Б, то это означало 8
Классификация природных кварцевых формовочных песков
Марка песка
Содержа- ние глинистой составляющей, %, не более
Основная фракция
Содержа- ние кремнезема (SiO8). %, не менее
Содержание вредных примесей, %, не более
Номер сита
Сумма остатка, %, не менее
Оксиды щелоч- ио-земельиых и щелочных металлов (Na2O +
+ К=°
+ СаО + MgO)
Оксиды железа (Ре2О,)
1К04
2,0
063; 04; 0315
70
97,0
1,20
0,75
2К04
2,0
96,0
1,50
1,00
ЗК06
2,0
94,0
2,00
1,50
4К04
2,0
90,0
Не регламентируется
1К0315
2,0
04; 0315; 02
70
97,0
1,20
0,75
2К0315
3K0315
2,0
2,0
96,0
1,50
1,00
94,0
2,00
1,50
4К0315
2,0
90,0
Не регламентируется
1К02
2,0
0315; 02; 016
70
97,0
1,20
0,75
2К02
ЗК02
2,0
2,0
96,0
1,50
1,00
94,0
2,00
1,50
4К02
2,0
90,0
Не регламентируется
1К016
2,0
02; 016; 01
70
97,0
1,20
0,75
2К016
2,0
96,0
1,50
1,00
ЗК016
2,0
94,0
2,00
1,50
4К016
2,0
90,0
Не регламентируется
1К01
2,0
016; 01; 0063
70
97,0
1,20
0,75
2К01
ЗК01
2,0
2,0
96,0
1,50
1,00
94,0
2,00
1,50
4К01
2,0
90,0
Не регламентируется
1К0063
2,0
01; 0063; 005
70
97,0
1,20
0,75
2К0063
2,0
96,0
1,50
1,00
3K0063
2,0
94,0
2,00
1,50
4К0063
2,0
90,6
Не регламентируется
Марка песка
Содержание глинистой составляющей, %, не более
Основная фракция
Содержа- иие кремнезема (StOs), %. не менее
Содержание вредных примесей, %, ие более
Номер сита
Сумма остатка, %, не менее
Оксиды-щелоч- но-земельных н щелочных металлов (Na,O + + К,0 + + СаО + MgO)
Оксиды железа (Fe„O,)
1КРК
2,0
04; 0315; 02
60
97,0
1,20
0,75
2КРК
2,0
96,0
1,50
1,00
ЗКРК
2,0
94,0
2,00
1,50
4КРК
2,0
90,0
Не регламентируется
1КРС
2,0
0315; 02; 016
60
97,0
1,20
0,75
2КРС
2,0
96,0
1,50
1,00
ЗКРС
2,0
94,0
2,00
1,50
4КРС
2,0
90,0
Не регламентируется
1КРМ
2,0
02; 016; 01
60
97,0
1,20
0,75
2КРМ
2,0
96,0
1,50
1,00 -
ЗКРМ
2,0
94,0
2,00
1,50
4КРМ
2,0
90,0
Не регламентируется
1КРО
2,0
04; 0315;
02; 016
65
97,0
1,20
0,75
2КРО
2,0
96,0
1,50
1,00
ЗКРО
2,0
94,0
2,00
1,50
4КРО
2,0
90,0
Не регламентируется
> Классификация природных кварцевых песков с рассредоточенной зерновой структурой
10
Марка песка
Содержание глинистой составляющей, %
Основная фракция
Номер снта
Сумма остатка, %, не менее
Т04
2,0—10,0
063; 04; 0315
65
Т0315
04; 0315; 02
65
Т02
0315; 02; 016
65
Т016
02; 016; 01
65
П016
10,1—20,0
02; 016; 01
55
П01
016; 01; 0063
55
П0063
01; 0063; 005
55
П005
0063; 005; поддон
60
Ж016
20,1—30,0
02; 016; 01
45
Ж01
016; 01; 0063
45
Ж0063
01; 0063; 005
50
Ж005
0063; 005; поддон
60
ОЖ01
30,1—50,0
016; 01; 0063
30
ОЖ0063
01; 0063; 005
30
ОЖ005
0063; 005; поддон
45 t
Классификация природных формовочных песков с повышенным количеством глинистой составляющей
бы, что остаток песка на сите № 02 больше, чем на сите № 04. Марка песка ЗКРО означает, что это кварцевый песок с рассредоточенной зерновой структурой класса ЗК- Марка 1КРСА означает кварцевый песок класса 1К с рассредоточенной структурой и средним размером зерна, остаток на сите № 0315 больше, чем на сите № 016.
Формовочные смеси приготовляют с использованием песков, содержащих повышенное количество глинистых составляющих (табл. 5).
Например, марка песка Т016 означает, что это тощий песок, содержащий не более 10 % глинистой составляющей, основная зерновая фракция сосредоточена на ситах № 02, 016, 01. Или марка песка ОЖ0063 означает, что это очень жирный песок с содержанием глинистой составляющей от 30 до 50 %, основная фракция в количестве не мевее 30 % сосредоточена на ситах № 01, 0063, 005. Таким обра-
11
Рис. 1. Установка для взбалтыва- Рис. 2. Сосуд с сифоном ния
вом, для определения марки формовочного песка прежде всего необходимо уста- вовить содержание в нем глинистой составляющей и зерновой состав песчаной основы.
Глинистая составляющая песка. Содержание глинистой составляющей в песке определяют нормальным и ускоренным методами по двум образцам из одной и той же пробы высушенного песка. Содержание глинистой составляющей оценивают как среднее арифметическое обоих определений. Если результаты испытаний имеют разницу свыше 10 % среднего арифметического, то испытание повторяют.
Нормальный метод (ГОСТ 23409.18—78). Берут навеску песка массой 50 г и высыпают ее в сосуд емкостью 1000 мл и диаметром 90—100 мм, добавляют 475 см3 воды нормальной температуры и 25 см8 1 %-него раствора NaOH или 2 %-него раствора пирофосфата натрия. Едкий натр способствует лучшему отделению глинистой составляющей от зерен песка. Сосуд плотно закрывают резиновой пробкой и закрепляют на установке для взбалтывания (рис. 1). Взбалтывание производят в течение 1 ч при частоте вращения сосуда 60+5 мин-1. После этого установку выключают, снимают сосуд, открывают крышку и тщательно смывают водой в сосуд приставшие к крышке частицы песка. Затем сосуд доливают водой до отметки 150 мм, содержимое энергично взбалтывают стеклянной палочкой и дают ему отстояться в течение 10 мин. По истечении этого срока с помощью сифонной трубки 1 (рис. 2) диаметром 6—9 мм, введенной в сосуд, сливают воду. Нижний конец трубки должен находиться на расстоянии 12—13 мм от поверхности осевшего песка 2.
Операции доливки воды, энергичного взмучивания, отстаивания в течение 10 мин и сливания сифоном повторяют два раза. Затем в сосуд вновь наливают воду до отметки 150 мм, взмучивают содержимое, выдерживают в течение 5 мин и сливают воду с помощью сифона. Эти операции повторяют до тех пор, пока вода в сосуде после отстаивания не будет совершенно прозрачной, что свидетельствует об удалении глинистой составляющей из песка. 12
Рис. 3. Прибор для определения зер- нового состава пескаРис. 3. Прибор для определения зер- нового состава пескаСодержимое сосуда переносят в фарфоровую чашечку, тщательно смывая песчинки, приставшие к стенкам сосуда. В течение 5 мин вода в чашечке отстаивается, затем ее сливают. Оставшийся песок помещают в сушильный шкаф и высушивают при 105—НО °C до постоянной массы. Затем песок взвешивают с точностью до 0,01 г.
Рис. 3. Прибор для определения зер- нового состава песка
Рис. 3. Прибор для определения зер- нового состава песка
Массовую долю глинистой составляющей в песке определяют по формуле
X =-^^-100%,
где т — масса навески песка до отмучивания, г; mi — масса навески высушенного осадка после удаления глинистой составляющей, г.
Нормальный метод определения глинистых составляющих применяют при проведении исследований и арбитражных спорах. Для текущего контроля качества песков чаще всего применяют ускоренный метод.
Ускоренный метод. Навеску песка массой 20 г помещают в сосуд для кипячения, наливают в него 300 см3 воды и кипятят в течение 5 мин. Затем содержимое сосуда переносят в сосуд установки для взбалтывания (см. рис. 1), добавляют 200 см3 воды и перемешивают в течение 10 мин. Последующие операции производят так же, как и при определении глинистой составляющей нормальным методом.
Зерновой состав песчаной основы. Зерновой состав песчаной основы определяют с помощью ситового анализа. Оставшиеся после отмучивания части навесок 50 и 20 г (песчаную основу) подвергают рассеиванию на специальном приборе (рис. 3).
Сначала проверяют чистоту сит и собирают комплект пе их номерам. Под самое нижнее сито № 005 ставят поддон. На верхнее сито № 2,5 насыпают испытуемый песок, стопку сит 2 накрывают крышкой 3, устанавливают и укрепляют их на поддоне 1 прибора. Включают электродвигатель и производят рассеивание в течение 15 мин. Затем прибор останавливают, снимают сита с поддона, удаляют крышку. Остатки песка на каждом из сит раздельно высыпают на глянцевую бумагу; при этом тщательно прочищают дно и стенки сита мягкой кисточкой. Каждый из остатков взвешивают с точностью до 0,01 г.
Оборудование, инструмент и материалы
Установка для взбалтывания (см. рис. 1), прибор для определения зернового состава песка (см. рис. 3), технические весы с разновесами, сушильный шкаф с терморегулятором, обеспечи-
13
вающий температуру нагрева до 200 °C, стеклянный сосуд емкостью 1000 см3 (см. рис. 2), мензурка, химический стакан емкостью 1000 см3, смывалка, сифонная трубка, две фарфоровые чашки, стеклянная палочка, часовое стекло для взвешивания, лист глянцевой бумаги, кисточка, шипцы, 1 %-ный водный раствор NaOH, 2 %-ный водный раствор пирофосфата натрия, исследуемый песок.
Порядок проведения работы
Работа рассчитана на 4 ч.
Определить содержание глинистой составляющей нормальным и ускоренным методами.
Определить зерновой состав песчаной основы.
Определить марку формовочного песка.
При выполнении работы необходимо строго соблюдать правила техники безопасности.
Результаты наблюдений и их обработка
Результаты ситового анализа и определения количества глинистой составляющей записать в таблицу.
Номер сита
Навеска песка 50 г
Навеска песка 20 г
Остаток на ситах
У
%
F
%
2,5 1,6
1 063 04 031 025 016
01 0063 005 Поддон
Итого: песчаная основа глинистая составляющая
Всего
50
100
20
100
Примечание. Расхождение в результатах анализа не должно превышать ±1 % массы взятой навески.
Результаты ситового анализа песчаной основы изобразить графически: по оси абсцисс отложить размеры зерен песка, а по оси ординат — количество песка. Затем по данным анализа и табл. 2—5 определить марку песка.
Содержание отчета
Характеристика формовочных песков.
Описание хода работы.
Описание методики испытаний.
Схемы приборов.
Результаты определения количества глинистой составляющей и сравнение нормального и ускоренного методов по точности полученных результатов.
Таблица и диаграмма ситового анализа.
Выводы.
Контрольные вопросы
По каким показателям классифицируют обогащенные формовочные пески?
Расшифруйте обозначение формовочного песка О63К016.
Как определяют зерновой состав формовочных песков?
Как подразделяются формовочные пески в зависимости от содержания в них глинистой составляющей?
Какой процент глинистой составляющей в песке марки 4К02?
Как подразделяют природные кварцевые формовочные пески по содержанию в них кремнезема?
По каким показателям различаются пески марок ЗКРК, ЗКРС, ЗКРМ иЗКРО?
В чем различие песков марок 2К02А и 2К02Б?
Расшифруйте марку песка 2КРМА.
В чем различие песков марок Ж01 н Ж005?
И. Перечислите порядок определения содержания глинистой составляющей нормальным методом.
Какой порядок определения содержания глинистой составляющей ускоренным методом?
Укажите различия в порядке определения содержания глинистой составляющей нормальным и ускоренным методами.4
Как определяют зерновой состав песчаной основы?
Работа 2
ОПРЕДЕЛЕНИЕ МАРКИ ФОРМОВОЧНОЙ ГЛИНЫ
Общие сведения
Формовочные глины (ГОСТ 3226—77) являются основным связующим материалом в формовочных смесях. Прочность песчано-глинистых смесей в значительной мере определяется происхождением глины, ее минералогическим и химическим составами, видом и количеством примесей, дисперсностью частиц, количеством и составом присоединенных катионов, коллоидальностью.
Классификация глин по пределу прочности при сжатии
Группа по пределу прочности при сжатии во влажном состоянии
Наименование группы
Предел прочности глнны при сжатии, кПа, не менее
бентонитовой
каолиновой, каоли- ногидрослюдистой и полиминеральной
п
Прочносвязующая
127,35
107,91
с
Среднесвязующая
107,91
78,47
м
Малосвязующая
88,29
49,05
Таблица 7
Классификация формовочных глин
Марка глины
Предел прочности при сжатии, кПа, не менее
Массовая доля вредных примесей, %, не более
во влажном состоянии
в сухом состоянии
Fe2Oj
Na,O + К,0
CaO + MgO
бпт2
127,35
4,5
3,0
5,0
БПТ3
127,53
—
8,0
5,0
8,0
бст2
107,91
—
4,5
3,0
5,0
БСТ3
107,91
—
8,0
5,0
8,0
БМТ3
88,29
—
8,0
5,0
8,0
KIUTj
107,91
441,45
2,5
1,5
2,0
КП1Т2
107,91
441,45
4,5
3,0
5,0
КП2Тг
107,91
294,30
2,5
1,5
2,0
КП2Т2
107,91
294,30
4,5
3,0
5,0
кпзт^
107,91
196,20
2,5
1,5
2,0
КПЗТ2
107,91
196,20
4,5
3,0
5,0
KC1TJ
78,48
441,45
2,5
1,5
2,0
КС1Т2
78,48
441,45
4,5
3,0
5,0
KC2Tt
78,48
294,30
2,5
1,5
2,0
КС2Т2
78,48
294,30
4,5
3,0
5,0
KCSTj
78,48
196,20
2,5
1,5
2,0
ксзт2
78,48
196,20
4,5
3,0
5,0
КМ2Т^
49,05
294,30
2.5
1,5
2,0
КМ2Т2
49,05
254,30
4,5
3,0
5,0
KM3TJ
49,05
196,20
2,5
1,5
2,0
кмзт2
49,05
196,20
4,5
3,0
5,0
По минералогическому составу формовочные глины делятся на три вида: Б — бентонитовые, К — каолиновые и каолино- гидрослюдистые, П — полиминеральные. В литейном производстве наиболее широко применяют каолиновые и бентонитовые глины.
Связующая способность глины определяется пределом прочности при сжатии стандартных образцов во влажном и сухом состоянии.
По пределу прочности при сжатии' во влажном состоянии различают глины трех групп (табл. 6).
По пределу прочности при сжатии в сухом состоянии каолиновые и каолиногидрослюдистые глины делят на три подгруппы:
— прочносвязующая (асж > 441,45 кПа);
— среднесвязующая (асж > 294,3 кПа);
— малосвязующая (осж > 196,2 кПа).
Термохимическая устойчивость глины Т определяется количеством содержащихся в ней примесей сульфидной серы (ее количество не должно превышать 0,2 % во всех видах глин), оксидов железа, щелочных и щелочно-земельных металлов. С увеличением количества примесей термохимическая устойчивость уменьшается.
По содержанию вредных примесей (FegOg, Na3O + К2О, СаО + MgO) глины делят на группы с низким (Ti), средним (Т2) и высоким (Т3) содержанием примесей. При этом массовая доля этих примесей в сумме не должна превышать соответственно 6, 12,5 и 21 %. По коллоидальности глины также подразделяют на три группы: высококоллоидальные (В); среднеколлоидальные (С) и низкоколлоидальные (Н). Более высокая коллоидальность глин обеспечивает меньший расход глины при приготовлении формовочных смесей. Классификация формовочных глин приведена в табл. 7.
Маркировка глин включает в себя сведения о ее минералогическом составе, прочностных свойствах во влажном и сухом состояниях и содержании вредных примесей.
Например, марка глины БПТ2 означает, что это глина бентонитовая прочносвязующая, т. е. предел прочности смеси яри сжатии во влажном состоянии должен быть не менее 127,53 кПа, со средним содержанием вредных примесей (^12,5 %). Марка глины КСП^ — глина каолиновая или каолиногидрослюдистая среднесвязующая, т. е. прочность при сжатии во влажном состоянии не менее 78,48 кПа, а в сухом состоянии не менее 441,45 кПа, общее содержание вредных примесей не превышает 6,0 %.
Для определения марки формовочной глины необходимо Остановить предел прочности при сжатии смеси во влажном и в сухом состояниях.
Предел прочности при сжатии смеси во влажном состоянии. На лабораторных бегунах (рис. 4) приготовляют формовочную смесь состава А из 90 % (1800 i) сухого кварцевого песка, 10 % (200 г) бентонитовой испытуемой глины, высушенной и просеянной через сито № 04, и 2,5 (50), 3,0 (60), 3,5 (70) или 4 % (80 мл) воды (сверх 100 %).
При определении марки каолиновой или полиминеральной глины и предела прочности при сжатии во влажном состоянии в смеси добавляют 2,5, 3,0 и 3,5 % или соответственно 50, 60 и 70 мл воды.
Сухой песок и глину загружают в лабораторные бегуны и перемешивают в течение 2 мин. Затем добавляют отмеренное мензур-
Рис. 4. Бегуны:Рис. 4. Бегуны:1 — каток; 2 — плужки; 3 @ отверстие для выгрузки смеси1 — каток; 2 — плужки; 3 @ отверстие для выгрузки смесиРис. 5. Лабораторный копер—*
Рис. 4. Бегуны:
Рис. 4. Бегуны:
1 — каток; 2 — плужки; 3 @ отверстие для выгрузки смеси
1 — каток; 2 — плужки; 3 @ отверстие для выгрузки смеси
кой необходимое количество воды и продолжают перемешивать еще 8 мин.
Смесь выгружают из бегунов и приступают к изготовлению стандартных образцов на лабораторном копре (рис. 5). Металлическую гильзу 9 устанавливают в поддон 6, и в нее высыпают отмеренное количество (примерно 170 г) формовочной смеси, при этом следят за тем, чтобы поверхность насыпаемого слоя смеси была горизонтальной. Подъемником копра 8 поднимают шток 1 и груз 3, на станину устанавливают поддон с гильзой, осторожно и плавно опускают боек 7, закрепленный на штоке 1, в гильзу до соприкосновения со смесью. После этого вращением рукоятки 5 и эксцентрика 4 уплотняют смесь тремя ударами груза 3 массой 6,35 ± 0,015 кг, падающего с высоты 50 ± 0,25 мм. Высота образца в гильзе после уплотнения должна быть 50 ± 0,8 мм. Эту высоту контролируют по трем горизонтальным рискам, нанесенным через 0,8 мм на стойке 2 станины. Совпадение верхнего торца штока / со средней риской соответствует высоте образца 50 мм. Крайние риски указывают на допускаемые отклонения.
После уплотнения гильзу с поддоном снимают с копра, отделяют поддон от гильзы и с помощью деревянного выталкивателя образец осторожно извлекают из гильзы. Затем образец устанавливают на площадку 6 рычажного прибора (рис. 6, а) предварительно проверив, чтобы указатель 4 каретки 2 стоял на делении 0 шкалы рычага 5. Затем с помощью винта 7 и верхней площадки 8 зажимают образец. Вращением рукоятки 3 винта 1 перемещают каретку 2 до тех пор, пока под действием сжимающей нагрузки образец не разрушится, при этом указатель 4 фиксирует на рычаге 5 разрушающее усилие.
Рис. 6. Приборы для определения предела прочности смеси при сжатии во влажном состоянии
Прочность при сжатии во влажном состоянии формовочных и стержневых смесей можно определять также на испытательных машинах мод. 04116А и 04116Б (рис. 6, б). В этом случае испытуемый образец 2 устанавливают на тарелку 1, опускают с помощью упора 4 прижимной диск 3 до верхней поверхности образца и включают тумблер 6. В момент разрушения образца на табло 5 высвечивается значение прочности смеси.
Испытание проводят на трех образцах, изготовленных из каждой смеси. Влажность смеси, при которой предел прочности при сжатии будет наибольший, является оптимальной для данной глины. Значение предела прочности принимают как среднее арифметическое значение трех определений. Если это значение отличается от одного из трех показаний больше чем на 10 %, то испытание должно быть повторено на вновь приготовленной смеси.
Рис. 7. Универсальный прибор для определения предела прочности смеси при сжатииРис. 7. Универсальный прибор для определения предела прочности смеси при сжатииПредел прочности при сжатии смеси в сухом состоянии. Образцы изготовляют из формовочной смеси состава Б, содержащей 95 % (1900 г) сухого кварцевого песка, 5 % (100 г) испытуемой глины, высушенной и просеянной через сито № 04, и воды. При использовании бентонитовых глин добавляют 6,0 (120), 6,5 (130), 7,0 (140), 7,5 (150) или 8,0 % (160 мл) воды (сверх 100 %). При использовании каолиновых и полиминеральных глин добавляют 6,5 (130) или 7,0 % (140 мл) воды.
Рис. 7. Универсальный прибор для определения предела прочности смеси при сжатии
Рис. 7. Универсальный прибор для определения предела прочности смеси при сжатии
Технология приготовления смеси и изготовления образцов описана выше. Изготовленные образцы помещают в предварительно нагретый до 150 °C сушильный шкаф и сушат при этой температуре в течение 1,5 ч. После охлаждения до нормальной температуры определяют прочность при сжатии.
Для проведения испытаний может быть использован любой прибор, позволяющий равномерно и постепенно увеличивать сжимающую нагрузку. Часто для этих целей используют универсальный прибор УП (рис. 7) или испытательную машину мод. 04116Б (см. рис. 6, б).
Прочность при сжатии смеси в сухом состоянии на приборе УП определяют следующим образом. Сухой стандартный образец помещают в зажимы 1, затем рукояткой 6 перемещают рычаг 8, который отклоняет маятник 2 от вертикального положения (см. рис. 7). В результате на образец действует постепенно увеличивающаяся нагрузка. Маятник, перемещаясь вдоль шкалы 3 прибора, поводком 4 перемещает магнитный указатель 5. В момент разрушения образца маятник и рычаг возвращаются в вертикальное положение, а магнитный указатель, оставшись на шкале, фиксирует значение предела прочности. На приборе УП можно определять предел прочности смеси при сжатии во влажном состоянии. В этом случае образец помещают в зажиме 7.
За показатель предела прочности при сжатии принимают среднее арифметическое результатов трех испытаний. Если данные какого-либо испытания отличаются от среднего арифметического более чем на 10 %, то испытания повторяют, для чего берут три новых образца.
Зная наибольшие значения пределов прочности при сжатии во влажном и сухом состояниях, по ГОСТ 3226—77 определяют марку формовочной глины. Проведенные испытания глины позволяют выяснить зависимость прочностных свойств от содержания влаги.
Оборудование, инструмент и материалы
Лабораторные бегуны, лабораторный копер, приборы для определения прочности при сжатии образцов во влажном и сухом состояниях, сушильный шкаф, технические весы с разновесами, металлическая гильза с внутренним диаметром 50 + 0,2 мм и высотой 120 мм, выталкиватель диаметром 50—0,5 мм, мензурка, часы, коробка для смеси, совок, щипцы, сухой кварцевый песок марок 1К02А, 1К02Б, 2К02А, 2К02Б, 1К016А, 1К016Б, 2К016А, 2К016Б с содержанием глинистой составляющей не более 1,0 % или обогащенные пески тех же марок, исследуемая глина, вода.
Порядок проведения работы
Работа рассчитана на 4 ч.
Приготовить смеси состава А.
Определить предел прочности смесей при сжатии во влажном состоянии.
Приготовить смеси состава Б.
Высушить образцы при 150 °C в течение 1,5 ч.
Определить предел прочности смесей при сжатии в сухом состоянии.
Определить количество глинистой составляющей одним из методов, описанных в работе 1.
Результаты наблюдений и их обработка
Прочностные свойства смесей, определенные не менее чем на трех образцах из одной смеси, занести в таблицы.
Номер образца
Состав смеси А, %
Предел прочности образца при сжатии во влажном состоянии, Па
Песок
Глина
Вода
1
2
3
Среднее значение
1 2 3
Номер образца
Состав смеси В, %
Предел прочности образца при сжатии в сухом состоянии, Па
Песок
Глниа
Вода
1
2
3
Среднее значение
1
2
3
Вычислить среднее арифметическое значение свойства. Проверить его отклонение от максимального и минимального значений. Если оно составляет более 10 %, определение необходимо повторить.
Содержание отчета
Краткое описание методики испытаний и принципа работы приборов. Схемы приборов.
Результаты определения предела прочности смеси во влажном и сухом состояниях.
Содержание глинистой составляющей.
Марка формовочной глины и область ее применения.
Графические зависимости пределов прочности смесей от количества введенной в них влаги.
Выводы.
Контрольные вопросы
Назовите виды формовочных глин.
По какому показателю формовочные глины подразделяют на три группы?
Что такое термохимическая устойчивость формовочных глин?
Какой показатель положен в основу классификации формовочных глин?
Расшифруйте следующие марки формовочных глин: БПТ3, БСТа, KIllTi, ПСТд.
Какой порядон приготовления формовочной смеси?
Какова процедура изготовления стандартных образцов для определения прочности при сжатии?
Какое минимальное число образцов необходимо испытать для получения достоверных значений прочностных свойств смеси?
Как определить марку формовочной глины?
Работа 3
ОПРЕДЕЛЕНИЕ СВОЙСТВ ФОРМОВОЧНЫХ И СТЕРЖНЕВЫХ СМЕСЕЙ
Общие сведения
Для изготовления разовых форм применяют единые, облицовочные и наполнительные формовочные смеси. Единые смеси, как правило, используют для формовки по-сырому, т. е. когда заливка металла производится во влажные формы. Облицовочные смеси служат для выполнения поверхности формы, непосредственно контактирующей с металлом. Их применяют при изготовлении средних и крупных форм, которые подвергают сушке или поверхностной подсушке. Облицовочную смесь наносят на модель слоем 50—60 мм, остальной объем опоки заполняют наполнительной смесью. Очень часто в качестве облицовочных смесей крупных форм используют самотвердеющие смеси, позволяющие исключить операцию сушки. В настоящее время для изготовления стержней и малогабаритных форм применяют песчано- 22
смоляные смеси, отвердевающие в холодной или нагреваемой оснастке.
Обладая низкой вязкостью, смолы равномерно распределяются по объему смеси, обеспечивая высокие технологические и прочностные свойства. Использование таких смесей позволяет автоматизировать процессы изготовления стержней, повысить их размерную точность, уменьшить площади стержневых отделений за счет ликвидации операции сушки. Осуществление этих процессов требует применения обогащенных кварцевых песков, в которых содержание глинистых составляющих не превышает 0,5 %, а также меньшего количества минералогических примесей, чем это допускается ГОСТ 2138—84. Увеличение содержания глины свыше 0,5 % потребует для сохранения физико-механических свойств смесей повышенного расхода связующего и отвердителя, что увеличит стоимость смеси и ухудшит санитарно-гигиенические условия труда. Примеси в песках могут вступать во взаимодействие с компонентами связующего и отвердителя, что вызовет ухудшение технологических свойств смесей. Поэтому для приготовления песчано-смоляных смесей рекомендуется использовать пески марок О61К02 и О61К016. Типовые составы формовочных и стержневых смесей приведены в прилож. 1.
В литейных цехах контроль качества формовочных и стержневых смесей сводится к определению следующих физико-механических характеристик: содержание глинистой составляющей, влажность, газопроницаемость, предел прочности при сжатии во влажном и сухом состояниях, предел прочности при растяжении, а иногда при срезе и изгибе. Кроме того, при разработке новых составов смесей определяют газотворность, осыпаемость, поверхностную твердость, долговечность, текучесть, выбиваемость и живучесть.
Влажность. Под влажностью формовочной смеси понимается содержание в ней свободной и гигроскопической влаги, выраженное в процентах к массе смеси. Содержание влаги в смесях определяется нормальным или ускоренным методом.4
Нормальный метод. Навеску 50 ± 0,01 г исследуемой смеси помещают в предварительно высушенные и взвешенные фарфоровые чашки и переносят в сушильную печь. Температура в печи должна быть 105—ПО °C. По истечении 30 мин чашку с навеской вынимают из печи и взвешивают, затем опять помещают в печь. Каждое последующее взвешивание производят после высушивания в течение 15 мин до постоянной массы. После этого чашки с навеской помещают в эксикатор, где охлаждают до нормальной температуры. Охлажденную навеску взвешивают.
Влажность смеси
X = 2 (mi — т^, где mi и т2 — масса чашки с навеской до высушивания и после него, г.
Рис. 8. Прибор мод. 062М для ускоренного определения влажности смесиРис. 8. Прибор мод. 062М для ускоренного определения влажности смесибор включают и высушивают смесь до няя продолжительность высушиваниябор включают и высушивают смесь до няя продолжительность высушиваниявысушивания навеску охлаждают и снова взвешивают. Влажвысушивания навеску охлаждают и снова взвешивают. Влажность смесиность смесиУскоренный м е т о д. Для ускоренного определения влаги в формовочных смесях используют прибор мод. 062М (рис. 8). Навески смеси массой 10 г каждая взвешивают с точностью до 0,1 г в фарфоровых чашках. Чашки с навесками устанавливают на столик 1 прибора под лампу 2 на расстоянии 40—50 мм от нее. Для удобства их установки кожух 3 поворачивают на 90°, а затем возвращают в исходное положение. При- постоянной массы. Сред- составляет 3 мин. После
Рис. 8. Прибор мод. 062М для ускоренного определения влажности смеси
Рис. 8. Прибор мод. 062М для ускоренного определения влажности смеси
бор включают и высушивают смесь до няя продолжительность высушивания
бор включают и высушивают смесь до няя продолжительность высушивания
высушивания навеску охлаждают и снова взвешивают. Влаж
высушивания навеску охлаждают и снова взвешивают. Влаж
ность смеси
ность смеси
X = ^—^ 100 %.
Одновременно сушат три образца. Расхождения между результатами параллельных определений влажности как нормальным, так и ускоренным методами не должны быть более 0,1 % при массовой доле влаги до 1 %, 0,15 % при массовой доле влаги от 1 до 5 % и 0,18 % при массовой доле влаги свыше 5 %. Если эти различия превышают указанные значения, определение повторяют.
Газопроницаемость. Существует два метода определения газопроницаемости смеси: нормальный и ускоренный.
Нормальный метод. Через стандартный образец диаметром и высотой 50 мм пропускают 2000 см3 воздуха нормальной температуры, при этом фиксируют давление Р воздуха перед образцом и время т прохождения всего объема воздуха.
Газопроницаемость
К = Vh^FP^,
где V — объем воздуха, прошедшего через образец, см8; h — высота образца, см; F —площадь поперечного сечения образца, см2; Р — давление воздуха перед образцом, Па; т — время прохождения через образец данного объема воздуха, мин. Газопроницаемость — величина безразмерная.
Рис. 9. Прибор для определения газопроницаемости:
/ — ручка; 2— груз; 3 — колокол; 4 — стержень; 5 — бак; 6 —- направляющая трубка; 7 — исследуемый образец; 8 — ниппель; 9 — чашка затвора; 10 — трехходовой кран; 11 и 14 — воздухопроводы; 12 — манометр; 13 — станина
Газопроницаемость смеси определяют на специальном приборе (рис. 9). Трехходовой воздушный кран 10 прибора ставят в положение «Открыто» и осторожно поднимают колокол 3 до тех пбр, пока отметка X, имеющаяся на колоколе, не совпадает с верхней кромкой бака 5, после этого кран прибора переключают на положение «Закрыто».
Из исследуемой смеси изготовляют стандартный образец на лабораторном копре в неразъемной металлической гильзе. При определении газопроницаемости смеси во влажном состоянии сразу же после изготовления образца гильзу с ним вставляют в чашку 9 затвора и поворотом гайки плотно закрепляют в приборе. При определении газопроницаемости смеси в сухом состоянии образец после изготовления высушивают или отверждают в условиях, соответствующих требованиям к конкретным связующим материалам и смесям, затем охлаждают на воздухе. После охлаждения образец помещают в специальную гильзу (рис. 10) и устанавливают на приборе.
Ф88Ф88Зная Р и т, по формулеЗная Р и т, по формулеДавлениеДиаметр отверстия ниппеля, ммДавлениеДиаметр отверстия ниппеля, ммПаСМ вод. ст.0,51.5Пасм вод. ст.0,51,598,01,0950490,05,014,7138107,81,1—850499,85,114,3134117,61,2—780599,65,213,8128127,41,3—710519,45,313,4126137,21,4—650529,25,413,0122147,01,5—610539,05,512,6119156,81,6—.550548,85,612,2115166,61,7525558,65,711,8112176,41,8—492568,45,811,4108186,21,9—467578,25,911,0105196,02,049,0440588,06,010,7102205,82,147,0417597,86,110,399215,62,244,0398667,66,210,096225,42,342,0373617,46,39,793235,22,440,0358627,26,49,490245,02,538,0341636,06,59,088254,82,636,0326646,86,68,885264,62,734,0313656,66,78,582274,42,833,0300666,46,88,280284,22,931,0287676,26,97,977294,03,030,0275686,07,07,775303,83,129,0264695,87,17,573313,63,228,0253705,67,27,370323,43,327,0243715,47,37,067333,23,425,8235725,27,46,765343,03,524,2226735,07,56,563352,83,623,4219744,87,66,361362,63,722,7212754,67,76,059372,43,821,8205764,47,85,856382,23,921,0198774,27,95,654392,04,020,0196784,08,05,352401,84,119,5185793,88,15,150411,64,219,0178803,68,24,9—421,44,318,5173813,48,34,7—431,24,417,8167823,28,44,4441,04,517,3164843,88,64,0—450,84,616,7156852,68,73,7460,64,716,2151862,48,83,5—470,44,815,7146872,28,93,3480,24,915,2142882,09,03,1ДавлениеДиаметр отверстия ниппеля, ммДавлениеДиаметр отверстия ниппеля, ммПаСМ вод. ст.0,51.5Пасм вод. ст.0,51,598,01,0950490,05,014,7138107,81,1—850499,85,114,3134117,61,2—780599,65,213,8128127,41,3—710519,45,313,4126137,21,4—650529,25,413,0122147,01,5—610539,05,512,6119156,81,6—.550548,85,612,2115166,61,7525558,65,711,8112176,41,8—492568,45,811,4108186,21,9—467578,25,911,0105196,02,049,0440588,06,010,7102205,82,147,0417597,86,110,399215,62,244,0398667,66,210,096225,42,342,0373617,46,39,793235,22,440,0358627,26,49,490245,02,538,0341636,06,59,088254,82,636,0326646,86,68,885264,62,734,0313656,66,78,582274,42,833,0300666,46,88,280284,22,931,0287676,26,97,977294,03,030,0275686,07,07,775303,83,129,0264695,87,17,573313,63,228,0253705,67,27,370323,43,327,0243715,47,37,067333,23,425,8235725,27,46,765343,03,524,2226735,07,56,563352,83,623,4219744,87,66,361362,63,722,7212754,67,76,059372,43,821,8205764,47,85,856382,23,921,0198774,27,95,654392,04,020,0196784,08,05,352401,84,119,5185793,88,15,150411,64,219,0178803,68,24,9—421,44,318,5173813,48,34,7—431,24,417,8167823,28,44,4441,04,517,3164843,88,64,0—450,84,616,7156852,68,73,7460,64,716,2151862,48,83,5—470,44,815,7146872,28,93,3480,24,915,2142882,09,03,1Газопроницаемость смесей, единицыГазопроницаемость смесей, единицыТаблица 8Таблица 8
Ф88
Ф88
Зная Р и т, по формуле
Зная Р и т, по формуле
Давление
Диаметр отверстия ниппеля, мм
Давление
Диаметр отверстия ниппеля, мм
Па
СМ вод. ст.
0,5
1.5
Па
см вод. ст.
0,5
1,5
98,0
1,0
950
490,0
5,0
14,7
138
107,8
1,1
—
850
499,8
5,1
14,3
134
117,6
1,2
—
780
599,6
5,2
13,8
128
127,4
1,3
—
710
519,4
5,3
13,4
126
137,2
1,4
—
650
529,2
5,4
13,0
122
147,0
1,5
—
610
539,0
5,5
12,6
119
156,8
1,6
—.
550
548,8
5,6
12,2
115
166,6
1,7
525
558,6
5,7
11,8
112
176,4
1,8
—
492
568,4
5,8
11,4
108
186,2
1,9
—
467
578,2
5,9
11,0
105
196,0
2,0
49,0
440
588,0
6,0
10,7
102
205,8
2,1
47,0
417
597,8
6,1
10,3
99
215,6
2,2
44,0
398
667,6
6,2
10,0
96
225,4
2,3
42,0
373
617,4
6,3
9,7
93
235,2
2,4
40,0
358
627,2
6,4
9,4
90
245,0
2,5
38,0
341
636,0
6,5
9,0
88
254,8
2,6
36,0
326
646,8
6,6
8,8
85
264,6
2,7
34,0
313
656,6
6,7
8,5
82
274,4
2,8
33,0
300
666,4
6,8
8,2
80
284,2
2,9
31,0
287
676,2
6,9
7,9
77
294,0
3,0
30,0
275
686,0
7,0
7,7
75
303,8
3,1
29,0
264
695,8
7,1
7,5
73
313,6
3,2
28,0
253
705,6
7,2
7,3
70
323,4
3,3
27,0
243
715,4
7,3
7,0
67
333,2
3,4
25,8
235
725,2
7,4
6,7
65
343,0
3,5
24,2
226
735,0
7,5
6,5
63
352,8
3,6
23,4
219
744,8
7,6
6,3
61
362,6
3,7
22,7
212
754,6
7,7
6,0
59
372,4
3,8
21,8
205
764,4
7,8
5,8
56
382,2
3,9
21,0
198
774,2
7,9
5,6
54
392,0
4,0
20,0
196
784,0
8,0
5,3
52
401,8
4,1
19,5
185
793,8
8,1
5,1
50
411,6
4,2
19,0
178
803,6
8,2
4,9
—
421,4
4,3
18,5
173
813,4
8,3
4,7
—
431,2
4,4
17,8
167
823,2
8,4
4,4
441,0
4,5
17,3
164
843,8
8,6
4,0
—
450,8
4,6
16,7
156
852,6
8,7
3,7
460,6
4,7
16,2
151
862,4
8,8
3,5
—
470,4
4,8
15,7
146
872,2
8,9
3,3
480,2
4,9
15,2
142
882,0
9,0
3,1
Давление
Диаметр отверстия ниппеля, мм
Давление
Диаметр отверстия ниппеля, мм
Па
СМ вод. ст.
0,5
1.5
Па
см вод. ст.
0,5
1,5
98,0
1,0
950
490,0
5,0
14,7
138
107,8
1,1
—
850
499,8
5,1
14,3
134
117,6
1,2
—
780
599,6
5,2
13,8
128
127,4
1,3
—
710
519,4
5,3
13,4
126
137,2
1,4
—
650
529,2
5,4
13,0
122
147,0
1,5
—
610
539,0
5,5
12,6
119
156,8
1,6
—.
550
548,8
5,6
12,2
115
166,6
1,7
525
558,6
5,7
11,8
112
176,4
1,8
—
492
568,4
5,8
11,4
108
186,2
1,9
—
467
578,2
5,9
11,0
105
196,0
2,0
49,0
440
588,0
6,0
10,7
102
205,8
2,1
47,0
417
597,8
6,1
10,3
99
215,6
2,2
44,0
398
667,6
6,2
10,0
96
225,4
2,3
42,0
373
617,4
6,3
9,7
93
235,2
2,4
40,0
358
627,2
6,4
9,4
90
245,0
2,5
38,0
341
636,0
6,5
9,0
88
254,8
2,6
36,0
326
646,8
6,6
8,8
85
264,6
2,7
34,0
313
656,6
6,7
8,5
82
274,4
2,8
33,0
300
666,4
6,8
8,2
80
284,2
2,9
31,0
287
676,2
6,9
7,9
77
294,0
3,0
30,0
275
686,0
7,0
7,7
75
303,8
3,1
29,0
264
695,8
7,1
7,5
73
313,6
3,2
28,0
253
705,6
7,2
7,3
70
323,4
3,3
27,0
243
715,4
7,3
7,0
67
333,2
3,4
25,8
235
725,2
7,4
6,7
65
343,0
3,5
24,2
226
735,0
7,5
6,5
63
352,8
3,6
23,4
219
744,8
7,6
6,3
61
362,6
3,7
22,7
212
754,6
7,7
6,0
59
372,4
3,8
21,8
205
764,4
7,8
5,8
56
382,2
3,9
21,0
198
774,2
7,9
5,6
54
392,0
4,0
20,0
196
784,0
8,0
5,3
52
401,8
4,1
19,5
185
793,8
8,1
5,1
50
411,6
4,2
19,0
178
803,6
8,2
4,9
—
421,4
4,3
18,5
173
813,4
8,3
4,7
—
431,2
4,4
17,8
167
823,2
8,4
4,4
441,0
4,5
17,3
164
843,8
8,6
4,0
—
450,8
4,6
16,7
156
852,6
8,7
3,7
460,6
4,7
16,2
151
862,4
8,8
3,5
—
470,4
4,8
15,7
146
872,2
8,9
3,3
480,2
4,9
15,2
142
882,0
9,0
3,1
Газопроницаемость смесей, единицы
Газопроницаемость смесей, единицы
Таблица 8
Таблица 8
Рис. 10. Гильза для определения газопроницаемости сухих и отвержденных образцов:
1 — крышка; 1 — прижимное кольцо; 3 — прокладка; 4 — корпус; 5 н 6—уплотнительные резиновые кольца
Кран 10 (см. рис. 9) ставят в положение «Испытание», колокол 3 начинает опускаться. При совпадении отметки 0 на колоколе с краем бака 5 включают секундомер, при прохождении отметки 1000 по манометру 12 фиксируют давление воздуха Р под испытуемым образцом, а при прохождении отметки 2000 останавливают секундомер и фиксируют время, в течение которого через образец прошло 2000 см3 воздуха. Трехходовой кран ставят в положение «Закрыто», находят газопроницаемость смеси.
За газопроницаемость принимают среднее арифметическое результатов испытания трех образцов. Если результат одного испытания отличается от среднего арифметического более чем на 10 %, испытание повторяют на трех новых образцах.
Ускоренный метод. В воздухопровод прибора (см. рис. 9) вставляют дополнительное сопротивление в виде ниппеля 8. В комплекте прибора имеется два ниппеля с калиброванными отверстиями диаметром 0,5 и 1,5 мм, которые поддерживают определенный минутный расход воздуха для каждого образца, в этом случае отпадает необходимость замера времени прохождения воздуха через образец. Для испытания смеси газопроницаемостью более 49 единиц применяют ниппель с отверстием диаметром 1,5 мм, а для смеси газопроницаемостью до 49 единиц — ниппель с отверстием диаметром 0,5 мм. Ниппели устраняют необходимость пропускания через образец 2000 см3 воздуха и позволяют определять газопроницаемость смеси по показаниям водяного манометра с помощью табл. 8.
Прочность смеси при сжатии во влажном состоянии. Предел прочности при сжатии смеси определяют на одном из приборов по методике, описанной в работе 2. Для этой цели используют образцы, прошедшие испытания на газопроницаемость.
Прочность смеси при растяжении. Предел прочности смеси при растяжении определяют на сухих образцах, имеющих форму восьмерки (рис. 11, с), которые изготовляют в специальном стержневом ящике (рис. 11, б). На поддон / ставят половины 2 и 3 стержневого ящика, не допуская их перекоса, затем на ящик 26
Рис. 11. Образец (о), стержневой ящик для его изготовления (6) и прибор мод. 04116 для определения прочности образца в сухом состоянии (в)
устанавливают воронку 4 таким образом, чтобы штыри, имеющиеся на нижней плоскости воронки, вошли в гнезда стержневого ящика. Половины ящика скрепляют винтом 6. Навеску смеси массой НО— 120 г насыпают в собранный ящик, затем свободно устанавливают колодку 5. Смесь уплотняют на стандартном копре тремя ударами груза. Если уплотнение проведено правильно, то верхняя плоскость воронки находится в пределах трех контрольных рисок, имеющихся на колодке (при несоблюдении этого условия образец бракуют). После этого удаляют колодку, отвинчивают винт 6 и снимают воронку. Стержневой ящик с образцом осторожно переносят на специальную подставку и разбирают. Образец на подставке помещают в сушильный шкаф. Режим сушки определяется видом связующего материала. Перед испытанием высушенный образец охлаждают. Предел прочности холоднотвердеющих смесей при растяжении определяют на таких же образцах. Образцы изготовляют следующим образом: смесь насыпают в стержневой ящик и уплотняют рукой. Избыток смеси срезают. Отверждение образцов проводят по режиму, предусмотренному нормативно-технической документацией на конкретные связующие материалы и смеси. Для определения прочности при растяжении стержневых смесей, отверждаемых в горячей оснастке,
образцы готовят в подогретом до заданной температуры стержневом ящике. Уплотнение смесей рекомендуется проводить на пескодувном стенде. Отверждение осуществляют по режимам, рекомендуемым для конкретных связующих материалов.Образец испытывают на УП (см. рис. 7), при этом значение предела прочности при растяжении фиксируется на соответствующей шкале. Предел прочности при растяжении формовочных и стержневых смесей в сухом или отвержденном состоя-образцы готовят в подогретом до заданной температуры стержневом ящике. Уплотнение смесей рекомендуется проводить на пескодувном стенде. Отверждение осуществляют по режимам, рекомендуемым для конкретных связующих материалов.Образец испытывают на УП (см. рис. 7), при этом значение предела прочности при растяжении фиксируется на соответствующей шкале. Предел прочности при растяжении формовочных и стержневых смесей в сухом или отвержденном состоя-Рис. 12. Рычажный прибор для определения предела прочности образца при растяжении в сухом состоянииРис. 12. Рычажный прибор для определения предела прочности образца при растяжении в сухом состояниинии определяют и на приборе мод. 04116 (рис. 11, крепляют в приспособление 1,нии определяют и на приборе мод. 04116 (рис. 11, крепляют в приспособление 1,в). Образец-восьмерку за-устанавливают тумблер 3в). Образец-восьмерку за-устанавливают тумблер 3Предел прочности смеси при растяжении, кПа
образцы готовят в подогретом до заданной температуры стержневом ящике. Уплотнение смесей рекомендуется проводить на пескодувном стенде. Отверждение осуществляют по режимам, рекомендуемым для конкретных связующих материалов.
Образец испытывают на УП (см. рис. 7), при этом значение предела прочности при растяжении фиксируется на соответствующей шкале. Предел прочности при растяжении формовочных и стержневых смесей в сухом или отвержденном состоя-
образцы готовят в подогретом до заданной температуры стержневом ящике. Уплотнение смесей рекомендуется проводить на пескодувном стенде. Отверждение осуществляют по режимам, рекомендуемым для конкретных связующих материалов.
Образец испытывают на УП (см. рис. 7), при этом значение предела прочности при растяжении фиксируется на соответствующей шкале. Предел прочности при растяжении формовочных и стержневых смесей в сухом или отвержденном состоя-
Рис. 12. Рычажный прибор для определения предела прочности образца при растяжении в сухом состоянии
Рис. 12. Рычажный прибор для определения предела прочности образца при растяжении в сухом состоянии
нии определяют и на приборе мод. 04116 (рис. 11, крепляют в приспособление 1,
нии определяют и на приборе мод. 04116 (рис. 11, крепляют в приспособление 1,
в). Образец-восьмерку за-устанавливают тумблер 3
в). Образец-восьмерку за-устанавливают тумблер 3
Таблица 9
Граммы
Килограммы
0
1
2
3
4
5
6
0
—
157
314
471
628
785
942
50
7,8
165
322
478
636
793
950
100
10,8
173
330
487
643
800
957
150
23,5
180
337
494
651
808
965
200
3,14
188
345
502
659
816
973
250
39,2
196
353
510
667
824
981
300
47,1
204
361
518
675
832
350
55,0
212
369
526
683
840
400
62,8
220
377
534
691
848
450
71,0
228
385
541
698
855
500
78,5
235
392
549
706
863
550
86,3
243
400
557
714
871
600
94,1
251
408
565
722
879
650
102,0
259
416
573
730
887
700
110,0
267
424
581
738
895
750
118,0
275
432
589
746
902
800
126,0
283
439
596
753
910
850
133,0
290
447
604
761
918
900
141,0
298
455
612
769
926
950
149,0
306
463
620
777
934
—
в положение «Измерение», и в момент разрушения образца на > табло 2 высвечивается значение прочности. На этом же приборе можно определять прочность при сжатии сухих образцов. Очень часто определение прочности при растяжении в сухом состоянии проводят на рычажном приборе (рис. 12). Перед закреплением образца в зажимах 1 рычаг 3 устанавливают в горизонтальное положение с помощью груза 2. Вращением гайки 7 поднимают нижний захват в верхнее крайнее положение, устанавливают образец, затягивают зажимы до плотного соприкосновения их с образцом, после этого оттягивают затвор 4. Дробь из воронки 5 высыпается в ведро б, и к образцу постепенно прикладывается растягивающее усилие. В момент разрыва образца рычаг 3 падает, при этом затвор 4 перекрывает выходное отверстие воронки 5. Дробь взвешивают и определяют предел прочности смеси при растяжении по табл. 9.
Например, масса дроби составила 3,450 кг. В табл. 9 по горизонтали находят цифру 3, а по вертикали 450, пересечение линий дает величину предела прочности образца при растяжении, т. е. 541 кПа.
Оборудование, инструмент и материалы
Лабораторные бегуны, лабораторный копер, технические весы с разновесами, сушильный шкаф с термометром для измерения температур до 300 °C, приборы для ускоренного определения влажности, газопроницаемости, предела прочности смеси при растяжении, секундомер, металлическая гильза с поддоном, выталкиватель, специальная гильза для определения газопроницаемости сухого образца, стержневой ящик, мензурка, фарфоровая чашка, эксикатор, щипцы, коробки для смесей, сухой песок, формовочная глина, связующий материал.
Порядок проведения работы
Работа рассчитана на 4 ч.
Приготовить две смеси, одна из которых предназначается для формовки по-сырому, другая — для формовки по-сухому. Составы и режим приготовления смесей задает преподаватель.
Определить влажность смеси.
Определить газопроницаемость смеси.
Определить предел прочности при сжатии смеси во влажном состоянии.
Определить предел прочности смеси при растяжении.
Результаты наблюдений и их обработка
Результаты испытаний свести в таблицу.
Оценить истинные значения газопроницаемости и прочности, надежность экспериментальных результатов при вероятности 0,95 и 0,99, а также абсолютные и относительные погрешности (см. раздел V).
Составы смесей и режимы их приготовления.
Режимы сушки смесей.
Описание методов определения влажности смесей, газопроницаемости во влажном и высушенном состояниях, пределов прочности при сжатии и растяжении.
Схемы приборов.
Выводы.
Контрольные вопросы
Назовите виды формовочных смесей.
Чем отличаются обычные формовочные и стержневые смеси от смесей, используемых для изготовления форм и стержней по холодной и нагреваемой оснастке?
Перечислите преимущества и недостатки песчано-смоляных смесей.
Какие требования предъявляют к формовочным пескам, используемым для приготовления песчано-смоляных смесей?
Перечислите основные свойства формовочных и стержневых смесей.
Почему смеси должны обладать низкой гигроскопичностью и газотвор- ностью?
Какие дефекты могут образоваться в отливках, если для изготовления форм будут использованы смеси с низкой поверхностной прочностью? s
Какие преимущества дает использование смесей с хорошей выбиваемо- стью?
Назовите различия между нормальным и ускоренным методами определения влажности.
В чем состоит различие при определении газопроницаемости смесей во влажном и сухом состояниях?
Работа 4
ВЛИЯНИЕ ВОДЫ И ГЛИНЫ НА СВОЙСТВА ФОРМОВОЧНЫХ СМЕСЕЙ
Общие сведения
Наиболее важными свойствами формовочных смесей, которые в значительной степени определяют качество отливок, являются влажность, газопроницаемость, прочность при
wwРис. 13. Влияние содержания влаги W на свойства смесей:
w
w
— прочность; 2 — газопроницаемость; 3 — плотность
сжатии во влажном состоянии и прочность при растяжении в сухом состоянии (при изготовлении отливок в сухих формах). Для каждого состава смеси существует оптимальная влажность, которую опре
деляют по максимальным значениям прочности во влажном состоянии. Влажность смесей, используемых в производстве, обычно колеблется в пределах' 2—8 %. Отклонение влажности от оптимальной в большую или меньшую сторону отрицательно сказывается на качестве формовочной смеси (рис. 13). Недостаток влаги обусловливает неэффективное использование глины, вызывает осыпаемость форм, снижает газопроницаемость и прочность смеси и в итоге приводит к формированию дефектов (засоры, раковины и т. д.) в отливках. Повышенная влажность является причиной ужимин, пористости, засоров, поверхностных и объемных раковин, искажения размеров отливки. Прочность формовочным смесям придает глинистая оболочка, сформировавшаяся вокруг частиц песка. В состав этой оболочки кроме глины и воды входят и различные добавки, а также органические связующие материалы (при наличии их в составе смеси). Глинистые оболочки представляют собой пасты с содержанием воды около 50 %. Поэтому максимальные значения прочностных свойств могут быть достигнуты только при определенном соотношении количеств воды и глины в составе формовочной смеси.
Оборудование, инструмент и материалы
Технические весы с разновесами, лабораторные бегуны, лабораторный копер, приборы для определения газопроницаемости, предела прочности при сжатии смеси во влажном состоянии, предела прочности при растяжении смеси в высушенном состоянии, сушильный шкаф, мензурка, банки емкостью Зле крышкой, фарфоровые чашки, кварцевый песок, соответствующий ГОСТ 2138—84, молотая глина, соответствующая ГОСТ 3226—77, металлическая гильза с выталкивателем, стержневой ящик для изготовления образцов-восьмерок в комплекте с приспособлениями, щипцы.
Порядок проведения работы
Работа рассчитана на 4 ч.
Определение влияния глины на свойства смеси.
Приготовить (см. работу 2) по 3 кг смесей следующего состава, % по массе: 97 кварцевого песка, 3 глины (смесь № 1); 95 кварцевого песка, 5 глины (смесь № 2); 93 кварцевого песка,
7 глины (смесь № 3); 91 кварцевого песка, 9 глины (смесь № 4). В каждую смесь добавляют по 5 % по массе воды (сверх 100 %).
Определить влажность смесей (см. работу 3).
Определить газопроницаемость смесей (см. работу 3).
Определить прочность смесей во влажном состоянии (см. работу 3).
Определить прочность смесей в сухом состоянии.
Оценить влияние глины на свойства смесей.
Определение влияния влаги на свойства смеси.
Приготовить по 3 кг смесей. Каждая смесь должна содержать 93 мае. ч. кварцевого песка, 7 мае. ч. глины, кроме того, смесь № 1 должна содержать 2 мае. ч. воды, смесь №2 — 4 мас.ч. воды, смесь № 3 — 6 мае. ч. воды, смесь №4 — 8 мае. ч. воды.
Определить влажность смесей стандартным и ускоренным методами (см. работу 3).
Определить газопроницаемость и прочность смесей во влажном и сухом состояниях.
Оценить влияние влаги на свойства смеси.
Результаты наблюдений и их обработка
Результаты определения свойств формовочных смесей занести в таблицы. Если максимальное или минимальное значение отличается от среднего более чем на 10 %, эксперимент повторяют.
к8 sк8 sSкSкВведен-ное ко-личествоводы, %Введен-ное ко-личествоводы, %Общеесодер-жаниевлаги, %Общеесодер-жаниевлаги, %Газо-проницаемость,единицыГазо-проницаемость,единицы223311Пределпрочности прнсжатии. ПаПределпрочности прнсжатии. Пао ко к2233Пределпрочности прнрастяжении, ПаПределпрочности прнрастяжении, Па22331234123424682468Газо-проницаемость,единицыГазо-проницаемость,единицыНомерсмесиНомерсмесиПределпрочности прнсжатии, ПаПределпрочности прнсжатии, ПаСодержание глины. %Содержание глины. %Пределпрочности прирастяжении, ПаПределпрочности прирастяжении, Па1122338 ®* 58 ®* 5112233« *к £« *к £2233
к
8 s
к
8 s
Sк
Sк
Введен-ное ко-личествоводы, %
Введен-ное ко-личествоводы, %
Общеесодер-жаниевлаги, %
Общеесодер-жаниевлаги, %
Газо-проницаемость,единицы
Газо-проницаемость,единицы
2
2
3
3
1
1
Пределпрочности прнсжатии. Па
Пределпрочности прнсжатии. Па
о к
о к
2
2
3
3
Пределпрочности прнрастяжении, Па
Пределпрочности прнрастяжении, Па
2
2
3
3
1
2
3
4
1
2
3
4
2
4
6
8
2
4
6
8
Газо-проницаемость,единицы
Газо-проницаемость,единицы
Номерсмеси
Номерсмеси
Пределпрочности прнсжатии, Па
Пределпрочности прнсжатии, Па
Содержание глины. %
Содержание глины. %
Пределпрочности прирастяжении, Па
Пределпрочности прирастяжении, Па
1
1
2
2
3
3
8 ®
* 5
8 ®
* 5
1
1
2
2
3
3
« *к £
« *к £
2
2
3
3
123123
1
2
3
1
2
3
3
5
7
3333^ П/р А. В. Курдюмова
33
33
Провести статистическую обработку результатов экспериментов. Определить доверительный интервал при вероятности 0,95. Построить графики изменения свойств смесей в зависимости от содержания в них воды и глины.
Содержание отчета
Составы исследованных смесей и режим их приготовления.
Методы изготовления образцов и определения свойств смесей.
Графики.
Выводы.
Контрольные вопросы
Назовите виды формовочных глин.
Как Вы представляете структуру формовочной смеси?
Как влияет повышенное содержание влаги в формовочной смеси на качество отливок?
Почему при пониженном содержании влаги формовочные смеси обладают низкими свойствами?
Что такое оптимальное соотношение количеств влаги и глины в смеси?
Работа 5
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ГАЗОТВОРНОЙ СПОСОБНОСТИ ФОРМОВОЧНЫХ И СТЕРЖНЕВЫХ СМЕСЕЙ
Общие сведения
Одним из наиболее часто встречающихся дефектов в отливках являются газовые раковины. Причинами их возникновения являются газы, растворенные в металле, и газы, выделяемые формовочными и стержневыми смесями в период заливки форм и кристаллизации металла. В первом случае в отливках формируются газовые дефекты эндогенного характера, во втором — экзогенного. Устранить или уменьшить вероятность образования газовых раковин эндогенного характера можно металлургическими методами (рафинированием, раскислением). Предотвратить же образование газовых дефектов экзогенного характера или снизить возможность их возникновения можно только правильной разработкой технологического процесса изготовления отливок, начиная от конструкций отливки и литниковой системы и кончая выбором составов формовочных и стержневых смесей. Газовые раковины возникают в результате повышенного давления газов в порах формы в результате нагрева воздуха, находящегося в объеме формы, испарения влаги формовочной смеси, сгорания или возгонки связующих материалов и других технологических добавок.
Внедрение газов из формы в металл отливки происходит при условии Рг ф > Ратм + Нр + Рп. н, где Рг. ф — давление газов на границе раздела металл—форма, Па; Ратм — атмосферное 34
Рис. 14. Прибор для определения газотворной способности смеси:Рис. 14. Прибор для определения газотворной способности смеси:/ _ печь Марса; 2 — трубка; 3 — фарфоровая лодочка; 4 — термопара; 6 — реостат; 6 — гальванометр; 7 — холодильник; 8 — бюретка; 9 — штатив; 10 — напорный сосуд; 11 •— кран; 12 — аппарат Киппа/ _ печь Марса; 2 — трубка; 3 — фарфоровая лодочка; 4 — термопара; 6 — реостат; 6 — гальванометр; 7 — холодильник; 8 — бюретка; 9 — штатив; 10 — напорный сосуд; 11 •— кран; 12 — аппарат Киппа
Рис. 14. Прибор для определения газотворной способности смеси:
Рис. 14. Прибор для определения газотворной способности смеси:
/ _ печь Марса; 2 — трубка; 3 — фарфоровая лодочка; 4 — термопара; 6 — реостат; 6 — гальванометр; 7 — холодильник; 8 — бюретка; 9 — штатив; 10 — напорный сосуд; 11 •— кран; 12 — аппарат Киппа
/ _ печь Марса; 2 — трубка; 3 — фарфоровая лодочка; 4 — термопара; 6 — реостат; 6 — гальванометр; 7 — холодильник; 8 — бюретка; 9 — штатив; 10 — напорный сосуд; 11 •— кран; 12 — аппарат Киппа
давление, Па; Н — высота столба металла, м; р — плотность металла, кг/м3; Рп. и — сопротивление, оказываемое поверхностным натяжением металла внедрению газов из формы, Па.
Основное количество газов образуется при сгорании или возгонке связующих материалов или различных органических добавок, входящих в состав формовочных и стержневых смесей. Если газопроницаемость смесей недостаточна и не обеспечивает отвод из полости форм образующихся газов, то в порах формы возникает повышенное давление газов, которые внедряются в тело отливки, если к этому моменту на ее поверхности не сформировалась прочная затвердевшая корочка металла, и в отливке образуются газовые дефекты.
Вероятность образования экзогенных газовых дефектов зависит как от природы связующего материала, его теплофизических свойств, так и от степени прогрева формы (стержня) и условий отвода газов. Поэтому определение газотворной способности смеси и входящих в ее состав связующих материалов играет большую роль для борьбы с браком. Определение газотворной способности смесей проводят по ГОСТ 23409.12—78. Метод основан на определении объема газов, выделяющихся при нагревании смеси (рис. 14).
Оборудование, инструмент и материалы
Технические весы с разновесами, прибор для определения газо- творности и аппарат Киппа, сушильный шкаф, печь для прокаливания, эксикатор, секундомер, фарфоровые лодочки, щипцы, формовочные и стержневые смеси, содержащие различные связующие материалы.
Порядок проведения работы
Работа рассчитана на 4 ч.
Приготовить формовочные или стержневые смеси, состав и режимы приготовления которых выдаются преподавателем.
2*35
Прокалить фарфоровые лодочки при температуре 1000 °C в течение 1 ч и охладить их в эксикаторе. Влажную смесь перед испытанием высушить при 105—НО °C до постоянной массы.
Взять навеску (3,0 + 0,012 г) смеси, предварительно высушенной до постоянной массы, и поместить ее в лодочку.
Установить лодочку с навеской в трубку печи Марса с холодного конца. Печь предварительно нагреть до заданной температуры.
Пропустить через трубку печи Марса обезвоженный углекислый газ, полученный в аппарате Киппа. Нейтральная атмосфера позволит исключить взаимодействие органических веществ смеси с кислородом.
Ввести лодочку с навеской в зону нагрева и плотно закрыть трубку печи Марса.
Включить секундомер. Через 5, 10, 20, 30, 60, 120, 180, 300, 4 20 и 600 с по опускающемуся уровню в мерной бюретке определить количество выделившегося газа.
Определить и сравнить газотворную способность заданных смесей.
Результаты наблюдений и их обработка
За результат испытания принимают среднее арифметическое значение трех определений. Если результаты одного испытания отличаются от среднего более чем на 15 %, определение необходимо повторить.
Результаты свести в таблицу.
Содержание отчета
Состав исследованных смесей.
Описание методики и схема определения газотворности.
Построение зависимости «Объем газов — время».
Выводы.
Контрольные вопросы
Назовите разновидности газовых дефектов в отливках.
При каких условиях образуются газовые раковины в отливках?
Какие основные факторы оказывают влияние иа формирование газового давления в порах формы?
Что такое газотворность?
Какие факторы влияют на скорость образования газов?
Работа 6
ВЛИЯНИЕ РЕЖИМА СУШКИ НА ПРОЧНОСТЬ СМЕСЕЙ
Общие сведения
Улучшение качества средних и крупных отливок из чугуна и стали достигается их изготовлением в сухих формах. На выбор режима сушки большое влияние оказывают теплофизические свойства смесей, вид и количество связующих материалов, содержание влаги, конфигурация и размеры форм и стержней. Процесс сушки включает пять этапов или периодов (рис. 15). В течение периода / стержни (формы) прогреваются по всему объему; происходит частичное испарение влаги с поверхности стержня. В течение периода // из стержня удаляется влага; длительность этого периода определяется как теплофизическими свойствами смесей, так и размерами форм и стержней — чем толще стержень, тем большее время необходимо для испарения влаги из его глубинных слоев. Сокращение длительности этого периода приводит к тому, что в середине стержня остается влага, а при последующем повышении температуры (период ///) она начинает интенсивно испаряться и вызывает растрескивание поверхностных слоев. После удаления влаги из объема стержня последний нагревают до температуры, при которой происходит отверждение связующего материала. Значение этой температуры зависит от вида связующего материала.
Рекомендуемые режимы сушки стержней с различными связующими приведены в табл. 10.
Рис. 15. Режим сушки форм и стержнейРис. 15. Режим сушки форм и стержнейПродолжительность периода IV должна быть такой, чтобы центральная часть стержня прогрелась до температуры, необходимой для отверждения связующего материала. Повышение рекомендуемой для данного связующего материала температуры сушки с целью ускорения процесса приводит к резкому снижению поверхностной прочности стержня. За период V стержень (форму) охлаждают с низкой скоростью в целях устранения вероятности образования поверхностных трещин.
Рис. 15. Режим сушки форм и стержней
Рис. 15. Режим сушки форм и стержней
Режимы сушки стержней
Свнаующее
Температура сушки, ?С
Продолжительность сушки, ч, при толщине стержня, мм
До 100
100—200
Более 200
Органическое
160—240
0,75—1,5
1,5—3,0
3,0—7,0
Глина
300—350
1,0—2,0
2,0—5,0
5,0—24,0
Жидкое стекло
200—250
0,75—1,0
1,0—2,0
2,0—5,0
Термореактивная смола
300—350
0,3—0,75
0,75—1,5
Извлекать стержни из сушильного агрегата. необходимо при температуре, близкой к нормальной, во избежание поглощения стержнем влаги из окружающей атмосферы.
Оборудование, инструмент и материалы
Лабораторные бегуны, технические весы с разновесами, лабораторный копер, стержневой ящик, сушильный шкаф с термометром, прибор для определения предела прочности при растяжении смеси, щипцы, мензурки, кварцевый песок, связующие материалы, коробки для смесей. Для работы следует выбирать связующие материалы, высыхающие при различных температурах, например ГТФ, олифу «Оксоль», сульфидно-спиртовую барду.
Порядок проведения работы
Работа рассчитана на 4 ч.
Приготовить смеси по указанию преподавателях. Продолжительность перемешивания смеси в бегунах 10 мин.
Изготовить образцы-восьмерки (см. работу 3), из каждой смеси по 12 образцов.
Высушить по три образца из каждой смеси при температуре 180, 220, 260 и 300 °C, продолжительность сушки 1 ч.
Охладить образцы до нормальной температуры и определить их предел прочности при растяжении (см. работу 3).
Оценить влияние режима сушки на прочность смесей, установить оптимальную температуру сушки для каждого связующего материала.
Результаты наблюдений и их обработка
Результаты наблюдений свести в таблицу.
За результат испытания принимают среднее арифметическое значение трех определений. Если минимальное или максимальное
1 Рекомендуется задавать составы смесей, соответствующие технологическим пробам связующего материала.
38
испытание повторяют.
Оценить предел прочности при растяжении, надежность экспериментальных результатов при вероятности 0,95, а также абсолютные и относительные погрешности определений.
Содержание отчета
Составы смесей и порядок их приготовления.
Режим сушки стержней.
Порядок проведения испытаний.
Графические зависимости предела прочности при растяжении образцов от температуры сушки.
Выводы.
Контрольные вопросы
Какие цели преследуют при сушке форм и стержней?
Назовите периоды процесса сушки форм и стержней.
Как влияет на свойства смесей уменьшение длительности периодов I и II сушки?
Какие свойства ухудшатся, если назначить температуру сушки стержней выше оптимальной?
Как повлияет иа качество стержней снижение температуры сушки?
От каких факторов зависит выбор режима сушки форм и стержней?
Работа 7
ВЛИЯНИЕ МОДУЛЯ ЖИДКОГО СТЕКЛА
НА ПРОЧНОСТЬ БЫСТРОТВЕРДЕЮЩИХ СМЕСЕЙ
Общие сведения
Для изготовления форм и стержней все более широкое применение находят быстротвердеющие смеси на жидком стекле. Их использование дает много преимуществ, основными из которых являются уменьшение цикла изготовления отливок вследствие исключения или значительного сокращения операции сушки форм или стержней, снижение расходов на процесс сушки, улучшение качества отливок, сокращение брака по газовым рако- 39
винам, засорам и т. д., увеличение выпуска отливок на существующих производственных площадях, снижение их себестоимости, улучшение условий труда в литейных цехах. Жидкое стекло представляет собой водный коллоидный раствор силиката натрия или калия различных составов (m SiO2-Na2O, mSiO2-K2O). Оно подразделяется на содовое, содово-сульфатное и сульфатное. Применение в качестве связующего содового жидкого стекла дает наибольший эффект. Показателем, определяющим свойства смеси, является модуль жидкого стекла
_ % SiO2 .
~ % R2O
где R—Na или К; Л — отношение молекулярных масс оксидов щелочных металлов R2O и кремнезема; для содового жидкого стекла Л = 1,032.
Обычно п = 2-г-З. Чем выше модуль, тем быстрее происходит затвердевание смеси, но конечная прочность смеси тем выше, чем ниже модуль. Жидкое стекло с низким (и = 2), средним (п = = 2,5) и высоким (п = 3) модулями применяют для форм и стержней, твердеющих при тепловой обработке, продувке углекислым газом и выдержке на воздухе.
Затвердевание жидкого стекла с высоким модулем характеризуется процессом последовательного перехода водного коллоидного раствора сначала в золь, а затем в твердый кремнегель. Жидкое стекло с низким модулем твердеет преимущественно с образованием геля бисиликата натрия (Na2O-2SiO2). Процесс твердения жидкого стекла значительно ускоряется в присутствии углекислоты:
Na2Si2OB -|- СО2 = Na2CO3 -|- 2SiO2.
Выделяющийся кремнезем, соединяясь с водой, образует гидрат оксида кремния, выпадающий в виде студнеобразной массы (золя):
т SiO2 + р Н2О = т SiO2-p Н2О.
Гидрат оксида кремния придает смеси значительную прочность, обволакивая зерна песка и твердея в результате потери влаги в процессе продувки углекислым газом (золь переходит в гель). Чем выше модуль жидкого стекла, тем быстрее происходит процесс твердения смеси. Однако жидкое стекло с высоким модулем уменьшает живучесть смеси и ухудшает ее пластичность.
Гели с наименьшим содержанием воды обладают наибольшей прочностью. Из возможных соединений (SiO2-2H2O, 2SiO2-3H2O, SiO2-H2O, 2SiO2-H2O) наибольшую прочность имеет гель 2SiO2X хН2О. Поэтому, если обработку проводить горячими газами, содержащими 10—12 % СО2, прочность формы получается более высокой по сравнению с обработкой холодным углекислым газом в результате испарения части влаги и образования кремнегеля с меньшим содержанием воды.
Количество раствора NaOH, необходимое для уменьшения модуля 1 кг жидкого стекла до 2,5
Количество раствора NaOH, л, плотностью, г/смя
п
1,45
1,46
1.47
1.48
1,49
1,50
3,0
0,065
0,065
0,062
0,060
0,058
0,056
2,9
0,057
0,055
0,054
0,052
0,051
0,049
2,8
0,049
0,049
0,046
0,045
0,043
0,042
2,7
0,041
0,041
0,038
0,037
0,036
0,035
2,6
0,032
0,031
0,030
0,030
0,029
0,028
Оборудование, инструмент и материалы
Технические весы с разновесами, лабораторные бегуны, лабораторный копер, приборы для определения пределов прочности образцов при сжатии и растяжении, металлическая гильза с поддоном, стержневой ящик в комплекте с приспособлениями, выталкиватель, баллон с СО2; редуктор со шлангами, секундомер, фарфоровая чашка, мензурка, коробки для смесей, кварцевый песок, жидкое стекло с различными модулями (п = 2,2; п = 2,5; п = 2,8); 10 %-ный раствор NaOH.
Порядок проведения работы
Работа рассчитана на 4 ч.
Приготовить три смеси из 94 % кварцевого песка и 6 % жидкого стекла, причем модуль жидкого стекла смеси № 1 равен 2,8, смеси № 2 — 2,5, смеси № 3 — 2,2. Кварцевый песок должен быть высушен (остаточная влажность до 0,5 %). Продолжительность перемешивания смесей 10 мин. Если имеется жидкое стекло только с высоким модулем, то для уменьшения модуля в него необходимо добавить раствор едкого на^ра (табл. 11).
Исследование следует начинать с приготовления смеси, содержащей высокомодульное жидкое стекло.
Изготовить образцы для определения прочности смесей. Перед извлечением из стержневых ящиков продуть образцы углекислым газом в течение 30 с. Давление углекислого газа 0,15— 0,17 МПа.
Определить предел прочности смесей при сжатии и растяжении.
Результаты наблюдений и их обработка
Результаты определения свойств свести в таблицу.
За результат испытания принимают среднее арифметическое значение трех определений. Если максимальное или минимальное
41
п
Предел прочности при сжатии, Па
Предел прочности при растяжении, Па
1
2
3
Среднее значение
1
2
3
Среднее вначенне
2,8
2,5
2,2
значение свойства отличается от среднего более чем на 10 %, испытание повторяют.
Для каждой серии определений оценить истинные значения пределов прочности, надежность экспериментальных результатов при вероятности 0,95, а также абсолютные и относительные погрешности экспериментальных данных.
Содержание отчета
Составы смесей и порядок их приготовления.
Порядок изготовления и подготовки образцов к испытаниям.
Порядок проведения испытаний.
Графическая зависимость прочностных свойств смесей от модуля жидкого стекла.
Выводы.
Контрольные вопросы
Назовите основные преимущества нспользоваиия жидкостекольных смесей при изготовлении форм и стержней.
Какие виды жидкого стекла Вы знаете?
Что такое модуль жидкого стекла?
Как снизить модуль жидкого стекла?
Каков механизм отверждения жидкостекольных смесей?
Как можно ускорить отверждение смесей?
Работа 8
ВЛИЯНИЕ ВИДА ОБРАБОТКИ НА ПРОЧНОСТЬ ЖИДКОСТЕКОЛЬНЫХ СМЕСЕЙ
Общие сведения
Прочность форм и стержней, изготовленных из быстротвердеющей смеси на жидком стекле, в значительной степени определяется режимом обработки.
Твердение жидкого стекла протекает по следующей схеме: разложение силиката натрия, образование золя кремниевой кислоты, переход золя в гель и упрочнение геля за счет потери влаги. В зависимости от применяемого вида обработки форм и стержней (выдержка на воздухе, продувка углекислым газом, тепловая об-
работка) время процесса твердения различно, что приводит к получению различных прочностных свойств.
В обычных условиях на воздухе процесс твердения протекает медленно, так как в воздухе содержится незначительное количество углекислого газа. Процесс ускоряют продувкой углекислотой или горячими газами, содержащими 10—12 % СО2, а также сушкой в печах. При продувке форм и стержней углекислым газом процесс твердения ускоряется, однако при этом достигается невысокая прочность, так как в геле кремниевой кислоты после обработки остается значительное количество влаги. Сушка в печах ускоряет прохождение всех этапов твердения жидкого стекла и способствует более полному испарению влаги, в том числе и входящей в состав геля, в результате чего прочность форм и стержней достигает максимальных значений.
Оборудование, инструмент и материалы
Технические весы с разновесами, лабораторные бегуны, лабораторный копер, сушильный шкаф с термометром (250—300 °C); прибор для определения предела прочности при сжатии и растяжении образцов в сухом состоянии, баллон с СО2, редуктор, металлическая гильза с поддоном и выталкивателем, стержневой ящик в комплекте с приспособлениями, щипцы, шланг, коробки для смесей, фарфоровая чашка, мензурка, сухой кварцевый песок, жидкое стекло с модулем 2,4—2,6 и плотностью 1,48—1,52 г/см8, 10 %-ный раствор NaOH.
Порядок проведения работы
Работа рассчитана на 4 ч.
Приготовить смесь из 94 % кварцевого песка, 6 % жидкого стекла и 1 % 10 %-него раствора NaOH.
Изготовить по 12 стандартных образцов для определения прочности при сжатии (см. работу 3) и растяжении.
По три образца подвергнуть обработке по одному из следующих режимов: продувка СО2 в течение 30 с; продувка СО2 в течение 60 с; продувка СО2 в течение 30 с с последующей сушкой при 200—220 °C в течение 20 мин; сушка при 200—220 °C в течение 20 мин.
Продувку образцов СО2 проводят непосредственно в гильзе или стержневом ящике под давлением 150—170 кПа.
Определить пределы прочности смесей при сжатии и растяжении (см. работы 2 и 3).
Результаты наблюдений и их обработка
Результаты испытаний свести в таблицу.
Если один из трех результатов определения прочностных свойств отличается от среднего арифметического более чем на 10 %, испытание повторяют.
Определить доверительные интервалы значений прочностных свойств с вероятностью 0,95.
Содержание отчета
Составы смесей и порядок их приготовления.
Режимы обработки образцов.
Описание методов определения свойств и сравнение различных видов обработки стержней из жидкостекольных смесей.
Выводы.
Контрольные вопросы
К какому классу связующих материалов относится жидкое стекло?
Что такое модуль жидкого стекла?
Как можно понизить модуль жидкого стекла?
Какие виды обработки проводят для отверждения форм н стержней, изготовленных из жидкостекольных смесей?
Что такое гель?
Какой вид обработки форм и стержней позволяет достигать максимальных значений прочности жидкостекольных смесей?
Работа 9
ВЛИЯНИЕ ДОБАВОК НА ВЫБИВАЕМОСТЬ ЖИДКОСТЕКОЛЬНЫХ СМЕСЕЙ
Общие сведения
Существенным недостатком жидкостекольных смесей является их невысокая податливость и плохая выбиваемость. Для улучшения этих свойств в смеси вводят различные добавки, которые при высоких температурах выгорают. Такими добавками могут быть древесный пек (2—3 %), мазут (1—1,5 %), молотый каменный уголь (1—3 %), коксовая пыль (1—1,5 %), а также сахаросодержащие добавки, например гидрол (до 1 %).
Введение в смеси сложных эфиров органических кислот (ацетатов глицерина) позволяет снизить необходимое количество жидкого стекла на 30 % и существенно улучшить выбиваемость смесей.
До сих пор еще нет единой методики определения выбивае- мости быстротвердеющих смесей. В настоящей работе предлагается оценивать это свойство процентом снижения предела прочности при сжатии смеси:
В = Дг^Як. юо %,
где В — выбиваемость смеси; at — предел прочности при сжатии образца, прокаленного при 1000 °C, Па; о0 — предел прочности при сжатии непрокаленного образца, Па.
Оборудование, инструмент и материалы
Технические весы с разновесами, лабораторные бегуны, лабораторный копер, сушильный шкаф (250—300 °C), прибор для определения предела прочности смеси при сжатии, печь для прокаливания образцов (1000—1100 °C), термопара с гальванометром, металлическая гильза с поддоном и выталкивателем, щипцы, баллон с СО2, редуктор, шланг, мензурка, фарфоровая чашка, коробки для смесей, кварцевый песок, добавки, жидкое стекло с модулем 2,3—2,5 и плотностью 1,43—-1,48 г/см3, 10 %-ный раствор NaOH.
■ Порядок проведения работы
Работа рассчитана на 4 ч.
Приготовить три смеси 1 из 94—95 % кварцевого песка, 5—6 % жидкого стекла и 0,5—1,5 % 10 %-ного раствора NaOH. В смесь № 2 добавить 1—1,5 % коксовой пыли, в смесь № 3 добавить 2—3 % древесного пека. Смеси готовить в лабораторных бегунах. Добавку древесного пека или коксовой пыли *за- грузить в бегуны одновременно с кварцевым песком и перемешивать в течение 3 мин. Затем ввести жидкое стекло и раствор NaOH и перемешивать смесь еще в течение 8—10 мин.
Изготовить из исследуемых смесей по 12 образцов для испытаний на сжатие. Шесть образцов каждой смеси подвергнуть следующей обработке: продувка углекислым газом; сушка при 200—230 °C в течение 20 мин.
Прокалить три образца из каждой смеси и после каждого режима обработки при 1000—1100 °C в течение 30—40 мин, охладить их до нормальной температуры.
Определить прочность образцов при нормальной температуре.
Оценить влияние добавок на прочность смесей.
‘ * Состав смеси может быть изменен по указанию преподавателя.
Номер смеси
По» Па, образцов, продутых СО,
а/, Па, образцов, продутых СО, и прокаленных при 1 000 °C
1
2
3
Среднее значение
1
2
3
Среднее значение
1
2
3
Номер смеси
По» Па, образцов, высушенных при 200 °C
Of, Па, образцов, высушенных при 200 °C и прокаленных при 1000 °C
1
2
3
Среднее значение
1
2
3
Среднее значение
1
2 3
Результаты наблюдений и их обработка
Результаты определения свойств свести в две таблицы.
Если один из трех результатов отличается от среднего арифметического более чем на 10 %, испытание повторяют.
Оценить истинные значения результатов испытаний, их надежность при вероятности 0,95, а также абсолютные и относительные погрешности.
Содержание отчета
Состав исследуемых смесей и порядок их приготовления.
Режим обработки образцов.
Результаты определения свойств.
Оценка влияния различных добавок на выбиваемость смесей.
Выводы.
Контрольные вопросы
Что такое выбиваемость смесей?
Как улучшить выбиваемость жидкостекольных смесей?
Что такое модуль жидкого стекла?
Какие процессы происходят при отверждении жидкостекольиых смесей?
Каково влияние специальных добавок на улучшение выбиваемости смесей?
46
Работа 10
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕПЛОАККУМУЛИРУЮЩЕЙ СПОСОБНОСТИ ФОРМОВОЧНЫХ СМЕСЕЙ
Общие сведения
Структура отливки формируется в период охлаждения жидкого металла в литейной форме и во многом зависит от скорости охлаждения. Скорость охлаждения в значительной мере определяется способностью формы поглощать теплоту, отдаваемую отливкой.
Способность форм и стержней аккумулировать теплоту, поступающую от отливки, называют теплоаккумулирующей способностью. Эта способность характеризуется коэффициентом аккумуляции, определяемым по формуле Б. Л. Богданова
(^кр С. ф) (l/t —' Уч )
где L — удельная теплота кристаллизации металла, кДж/кг; р — плотность металла, кг/м3; а — толщина отливки, а = 0,03 м; Ср — температура кристаллизации отливки, °C; /н. ф — начальная температура формы (окружающей среды), °C; т — время от конца заливки до конца кристаллизации металла, определяется по потенциограмме как сумма времен отвода теплоты перегрева и кристаллизации (температурной остановки), ч; т, — время отвода теплоты перегрева, ч.
Значения Бир находят по справочникам.
Оборудование, инструмент и материалы
Лабораторные бегуны, индукционная печь емкостью 150 кг, технические весы с разновесами, твердомер, потенциометр, гальванометр с платиновой термопарой, модель отливки, модель литниковой системы, трамбовка, опока, кварцевые наконечники для термопар, литниковые воронки, ковш для металла, формовочная смесь, шихтовые материалы.
Порядок проведения работы
Работа рассчитана на 6 ч.
Приготовить формовочную смесь, исходя из условий лабо ратории.
Изготовить литейную форму с щелевой литниковой системой для получения плоской плиты размером 300x300x30 мм (рис. 16) и определить степень уплотнения формы с помощью твердомера.
Установить в полость формы термопару с кварцевым наконечником, спай термопары должен располагаться на расстоянии 100 мм от верхнего края отливки. Собрать форму.
Рис. 16. Форма для получения плоской плиты: 1 — опока; 2 — стояк; 3 — щелевой питатель; 4 —■ литниковая воронка; б —- кварцевый наконечник термопары; 6 — выпор
Подсоединить термопару к прибору автоматической записи температуры.
Расплавить и перегреть металл до заданной температуры. Для определения коэффициента аккумуляции теплоты форму заливают чистым металлом или сплавом с малым интервалом кристаллизации, который кристаллизуется при постоянной температуре, что позволяет получить на кривой охлаждения четко выра
женную температурную остановку. При определении Ьф смесей, предназначенных для изготовления стальных отливок, формы заливают Армко-железом; при определении Ьф смесей, предназначенных для изготовления чугунных отливок, заливку ведут чистой медью, так как температура плавления меди незначительно отличается от температур плавления чугунов. Кроме того, известны теплофизические параметры меди, необходимые для расчетов.
Залить форму металлом. Продолжительность заливки не должна превышать 12 с.
Охладить отливку в форме до полной кристаллизации.
По кривой охлаждения металла в форме определить время отвода теплоты перегрева и время от конца заливки до конца кристаллизации.
Определить Ьф. Определение рекомендуется проводить не менее трех раз.
Результаты наблюдений и их обработка
По потенциограмме определить температуру заливки, температуру кристаллизации сплава, длительность затвердевания отливки. Полученные данные свести в таблицу.
Определить доверительный интервал значений Ьф при вероятности 0,95.
Состав формовочной смеси
р i
Ар А. ф> °C
р. кг/м1
л, кДж/кг
т
Т1
кДж/(м«.ч|/..=с)
ч
Содержание отчета
Состав и порядок приготовления формовочной смеси.
Состав исходных шихтовых материалов и порядок плавки металла.
Описание метода изготовления форм.
Построение кривых охлаждения отливок в координатах «Температура—время».
Результаты определения Ьф.
Выводы.
Контрольные вопросы
Что такое теплоаккумулирующая способность формовочной смесн?
Как Ьф влияет иа процесс кристаллизации металлов?
Почему при изготовлении форм для определения Ьф рекомендуется проверять твердость форм?
Как изменяется плотность металла при плавлении?
Почему при определении Ьф смесей для остальных отливок рекомендуется заливать форму Армко-железом?
ГЛАВА 2. ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ РАЗОВЫХ ФОРМ И СТЕРЖНЕЙ
Литейные формы обычно состоят из полуформ и стержней. Процесс их изготовления называют формовкой. Она включает следующие технологические операции: подготовку оснастки, дозирование смеси и введение ее в полость опоки над модельной плитой или стержневого ящика, уплотнение смеси в опоке или стержневом ящике, выполнение в уплотненной смеси и стержнях вентиляционных каналов, извлечение моделей из полуформ и отделение стержневых ящиков от стержней, упрочнение элементов литейной формы до или после удаления оснастки, отделку и окраску поверхностей полуформ и стержней, контактирующих с жидким металлом, сборку формы, включая установку стержней и ее нагружение (крепление). Крупные полуформы и стержни армируют крючками и каркасами. Их устанавливают до или после частичного заполнения опок и стержневых ящиков смесью.
Полуформы и стержни получают по модельной оснастке — литейной модели, стержневым ящикам и шаблонам. Литейные модели бывают разовыми и постоянными. Разовые модели используются лишь в единственном цикле изготовления форм. Они не извлекаются, а уничтожаются в форме путем выжигания, выплавления или растворения. Поэтому форма может быть неразъемной, что обеспечивает повышенную размерную точность отливок. Постоянные модели служат многократно. После каждого цикла изготовления форм модели извлекают и используют повторно. Чтобы извлечь модели, формы делают разъемными. Это снижает
точность получаемых отливок, но повышает экономичность процесса. Постоянные модели в зависимости от конструкции отливки выполняют разъемными или неразъемными.
Стержни изготовляют в стержневых ящиках. По способу извлечения стержней различают вытряхные и разъемные ящики.
По особенностям получения внешней границы форм различают формовку в опоках и безопочную формовку, формовку в почве и кессонах. При получении отливки сложной конфигурации полость формы иногда формируют стержнями. В этом случае формовку называют формовкой в стержнях.
По степени механизации различают ручную, машинную и автоматическую формовку. При ручной формовке все операции выполняют вручную. При машинной формовке механизированы основные, наиболее трудоемкие и ответственные операции — наполнение полуформ смесью и ее уплотнение, отделение оснастки от полуформ и стержней. При автоматической формовке все операции изготовления форм выполняют формовочные автоматы. При этом ряд технологических операций, плохо поддающихся автоматизации (устройство вентиляционных каналов, отделка форм), не выполняют. Необходимый газовый режим формы в этом случае создают путем подбора смеси с высокой газопроницаемостью и низкой газотворностью. Стержни во всех случаях требуют тщательной отделки. Поэтому полностью автоматизировать процесс изготовления стержней не удается.
Наиболее ответственными операциями формовки являются уплотнение и упрочнение формовочных и стержневых смесей. Уплотнение смесей осуществляют ручной трамбовкой, встряхиванием и вибрацией, прессованием и импульсным воздействием (взрывом, пескометным, пескодувным и пескострельным методами) и др. Во многих случаях высококачественные формы получают только комбинированными способами уплотнения.
Требуемая прочность форм в сыром состоянии обеспечивается подбором состава смеси, основными компонентами которой являются песок, глина, добавки и вода, и повышением степени ее уплотнения. В первом случае активируется связующая способность глины и достигается усиление адгезионного взаимодействия между песчинками и глинистой оболочкой на них. Во втором случае увеличивается площадь контакта между песчинками, покрытыми глинистой оболочкой. Оба фактора обеспечивают повышение общей прочности форм.
Дополнительное упрочнение форм и стержней достигается при тепловом или химическом отверждении связующих компонентов. Оно может быть выполнено в оснастке (до извлечения модели из полуформ и стержней из ящиков) или вне ее.
Формы и стержни из смесей с глиной, маслами и продуктами их переработки, жидким стеклом, высыхающими и расплавляю щимися органическими связующими упрочняют тепловой обработкой после удаления моделей из полуформ и извлечения стерж-
ней из стержневых ящиков. Для этого их подвергают длительной тепловой сушке при умеренных температурах, кратковременной тепловой обработке при повышенных температурах («термо- шок»-процесс), обработке токами высокой частоты и др. Формы и стержни, изготовленные отверждением уплотненной смеси в оснастке, имеют повышенную размерную точность. Эти способы основаны на свойстве связующих быстро и необратимо затвердевать при нагреве или при нормальной температуре в присутствии катализаторов или отвердителей.
Тепловым отверждением в оснастке получают главным образом стержни из песчано-смоляных смесей. Необходимый для отверждения связующего прогрев смеси осуществляют нагретой до 220— 260 °C оснасткой, продувкой смеси горячим воздухом и за счет теплоты экзотермической реакции отверждения связующего.
Технология изготовления стержней из смесей, твердеющих в нагретой оснастке, наиболее эффективна при пескодувном или пескострельном способе уплотнения. Формовку стержней в «ги- мес»- или «эклер»-процессе осуществляют запрессовкой псевдоожиженной увлажненной песчано-соляной пеносмеси в полость нагретого стержневого ящика. При отверждении пеносмеси в оснастке формируется стержень с прочной поверхностной коркой и рыхлой (полой) сердцевиной, выполняющей роль естественного вентиляционного канала.
Отверждением в холодной оснастке получают полуформы и стержни из самотвердеющих смесей. Последние содержат отвердители или катализаторы. В их присутствии упрочнение смесей происходит без внешнего теплового воздействия. При этом отвердители непосредственно участвуют в реакции отверждения связующего, а катализаторы лишь создают среду, при которой ускоряется процесс отверждения связующего. По своему физическому состоянию самотвердеющие смеси могут быть жидкими (псевдоожиженными), пластичными или сыпучими.
Жидкие самотвердеющие смеси (ЖСС) заполняют полость ^оснастки под действием силы тяжести, поэтому их еще называют наливными. Для ускорения процесса заполнения иногда формовку ЖСС осуществляют под действием вибрации. Пластичные самотвердеющие смеси (ПОС) содержат глину, их уплотняют как песчано-глинистые. Сыпучие самотвердеющие смеси, содержащие песок, смолу и катализатор, получили название холоднотвердеющих (ХТС). Высокая текучесть ХТС позволяет уплотнять их вибрацией. Недостатком самотвердеющих смесей является малая живучесть. Практически неограниченную живучесть имеют смеси, отверждаемые разовыми реагентами, так как они не содержат отвердителей или катализаторов. Стержни из таких смесей упрочняют продувкой газовыми реагентами после их уплотнения в оснастке. В качестве реагентов используют углекислый газ (при формовке жидкостекольных смесей), сернистый газ, пары триэтиламина или циклогексанола (при формовке песчано-смоляных смесей).
Работа 11
ИЗГОТОВЛЕНИЕ ФОРМ по постоянным МОДЕЛЯМ Общие сведения
Формовка по постоянным моделям является наиболее распространенным вариантом изготовления литейных полуформ. При этом модель может быть разъемной, неразъемной или с отъемными частями.
Разъемные модели применяют при ручной, машинной и автоматической формовке. Формовку по неразъемной постоянной модели обычно осуществляют вручную, применяя специальные приемы (с подрезкой, с фальшивой опокой и др.). При наличии у неразъемной модели плоской поверхности и возможности ее размещения в одной полуформе формовку ведут, как и по разъемной модели. В этом случае неразъемную модель можно рассматривать как одну половину разъемной модели. Для механизации процесса формовки по неразъемной постоянной модели без плоской поверхности применяют фасонные подмодельные плиты. В гнезда таких плит устанавливают неразъемную модель и утепляют ее до поверхности разъема. Формовка с отъемными частями требует их извлечения из полуформ вручную, поэтому достичь полной автоматизации всех технологических операций формовки по модели с отъемными частями не удается.
Формовка по разъемной модели в опоках. Формовку осуще- ставляют в двух опоках (рис. 17). Сначала по одной части разъемной модели изготовляют нижнюю полуформу (рис. 17, в). Для этого на подмодельную плиту 6 устанавливают опоку 5 и нижнюю половину модели 1. На поверхность модели наносят разделительное покрытие для предотвращения прилипания к ней формовочной смеси. Затем опоку заполняют формовочной смесью 4, разрыхленной и просеянной через сито с размером ячеек 3—4 мм, и уплотняют до получения твердости 60—80 единиц по твердомеру. При изготовлении отливок, склонных к образованию пригара, на модель сначала наносят слой облицовочной формовочной смеси толщиной 20—30 мм. После ее легкого уплотнения руками вокруг модели опоку заполняют наполнительной смесью. При ручной формовке смесь в опоку засыпают слоями по 50—75 мм. После уплотнения предыдущего слоя засыпают следующий слой такой же толщины. Это обеспечивает равномерное уплотнение смеси по высоте опоки. Нижние слои смеси уплотняют клиновым концом трамбовки 3 сначала у стенок опоки, а затем в ее средней части. Верхний слой смеси в опоке уплотняют тупым концом трамбовки. Излишек смеси над верхним срезом опоки удаляют линейкой. Вентиляционные каналы в полуформе выполняют накалыванием уплотненной смеси душником. Заформованную опоку переворачивают на 180° и устанавливают на подопочную плиту разъемом вверх. При ручной формовке в качестве подопечной 52
Рис. 17. Формовка по разъемной модели:Рис. 17. Формовка по разъемной модели:
Рис. 17. Формовка по разъемной модели:
Рис. 17. Формовка по разъемной модели:
а. — деталь с элементами литейной формы; б — раэъемиая литейная модель; 8 и е — изготовление соответственно нижней и верхней полуформ; 5 ^- форма в сборе
плиты можно использовать подмодельную плиту. Формовочную смесь по разъему заглаживают гладилкой. На нижнюю половину модели по центрирующим шипам устанавливают верхнюю половину 2.
На свободной площади поверхности разъема размещают в соответствии с разработанной технологией модели элементов литниковой системы 7, 8 (рис. 17, г). Затем на нижнюю опоку 10 по штырям 9 устанавливают верхнюю опоку. Поверхность разъема посыпают тонким слоем сухого кварцевого песка или графита для предотвращения слипания смеси в верхней и нижней опоках. Верхнюю полуформу изготовляют так же, как и нижнюю. После срезания излишка смеси и устройства вентиляционных каналов из верхней полуформы извлекают модели литниковой чаши (воронки), стояка и выпоров, предварительно слегка раскачав их. При отсутствии модели чаши или воронки перед извлечением модели стояка вокруг него гладилкой прорезают приемную полость литниковой системы.
Верхнюю полуформу снимают с нижней, переворачивают на 180° и устанавливают на подопечную плиту разъемом вверх. Из обоих полуформ извлекают части модели отливки и модели элементов литниковой системы — питателя и шлакоуловителя (коллектора). Последние могут быть как чаша или воронка прорезаны в полуформах гладилкой. Обе полуформы отделывают и при необходимости наносят противопригарное покрытие.
Рнс. 18. Формовка по неразъемной модели с подрезкой:
с — деталь; б *— изготовление нижней полуформы; в *— подрезка нижней полуформы и изготовление верхней полуформы; е — форма в сборе
При машинной формовке обе полуформы изготовляют отдельно по модельным плитам с отцентрированными и закрепленными на них частями модели отливки и моделей элементов литниковой системы.
Затем форму собирают (рис. 17, д). Для этого в нижнюю полуформу 10 устанавливают стержень 13. При этом знаковые части стержня входят в соответствующие знаковые части (гнезда) полуформ. Затем нижнюю полуформу накрывают верхней 12. Для предотвращения их смещения относительно друг друга полуформы спаривают с помощью штырей. При заполнении полости формы жидким металлом возникают силы, стремящиеся приподнять верхнюю полуформу. Это обусловлено гидравлическим ударом и силами Архимеда, поэтому перед заливкой полуформы скрепляют скобами, болтовыми и клиновыми соединениями или накладывают на верхнюю полуформу специальный груз 11. При производстве мелких отливок, когда подъемная сила жидкого металла, действующая на верхнюю полуформу, существенно меньше ее веса, формы не нагружают и не скрепляют.
Формовка по неразъемной модели. В зависимости от конструкции неразъемной модели возможны несколько вариантов формовки.
Формовка по неразъемной модели с плоским основанием. Этот вариант является наиболее простым и реализуется только при соблюдении двух условий: совпадении основания модели с плоскостью разъема формы 54
Рис. 19. Формовка по модели с отъемными частями:
а — модель с отъемными частями; б «* извлечение модели и отъемных частей
и извлекаемости модели из полу- формы без ее разрушения. В этом случае модель полностью располагается в одной из полуформ. Основные элементы литниково- питающей системы выполняют в верхней полуформе, а некото
рые — в нижней. Формовку полуформ и все последующие технологические операции выполняют так же, как и при формовке по разъемной модели.
Формовка по неразъемной модели с подрезкой. При изготовлении форм по неразъемной модели или натурному образцу, используемому в качестве модели, не имеющим горизонтальной плоскости разъема, применяют формовку с подрезкой. Литую деталь, изображенную на рис. 18, а, можно изготовить как по разъемной, так и по неразъемной моделям. В последнем случае модель 4 устанавливают на плоскую подмодельную плиту 5 наиболее устойчивой частью (рис. 18, б) и по описанной выше технологии, уплотняя трамбовкой 1 смесь 2 в опоке 3, получают нижнюю полуформу. После переворота полу- формы на 180° и установки ее на подмодельную плиту разъемом вверх гладилкой 6 подрезают и удаляют часть смеси (рис. 18, в) для обеспечения свободного извлечения модели. При этом края подрезанной части полуформы выполняют с уклоном не менее 30° и получают фасонную поверхность разъема. На нижнюю полуформу устанавливают верхнюю опоку и модели элементов литниковой системы. Полость опоки засыпают формовочной смесью. После уплотнения и срезания излишка смеси накалывают вентиляционные каналы 10, прорезают воронку или чашу 8 и извлекают модели стояка и выпора 7 (рис. 18, а). Полученную верхнюю полуформу снимают с нижней, переворачивают на 180° и устанавливают на подмодельную плиту. Из полуформ удаляют модели отливки, шлакоуловителя (коллектора) и питателей. Для удаления из стержня 11 газов, выделяющихся при заполнении формы жидким металлом, напротив его вентиляционного канала 12 в полуформах со стороны поверхности их разъема выполняют дополнительные вентиляционные каналы 9. Затем форму собирают.
Формовка по неразъемной модели с отъемными частями. Часто отливки имеют различные выступающие части в виде бобышек, платиков, буртиков и т. п., которые не попадают в разъем формы. Извлечь неразъемную модель такой отливки из полости формы без ее разрушения невозможно. Устранить нетехнологичность конструкции отливки путем ее йзменения удается не всегда. В таких случаях выступающие
части 2 модели 1 выполняют отъемными (рис. 19, а). Отъемные части могут быть и на разъемных моделях. Их крепят к модели с помощью соединения типа «ласточкин хвост». Формовку по таким моделям выполняют описанными выше методами. При этом следят за тем, чтобы отъемные части в процессе уплотнения смеси не сместились. При извлечении модели из полуформы 3 отъемная часть скользит ласточкиным хвостом в пазах модели и остается в полуформе (рис. 19, б). Для извлечения отъемной части ее предварительно расшатывают, а затем вытягивают.
Оборудование, инструмент и материалы
Набор моделей (разъемных, неразъемных, в том числе с отъемными частями), опоки, подмодельные и подоночные плиты, модели элементов литниковых систем; комплекты формовочных инструментов, включающие сито, лопату или совок, трамбовку, деревянный молоток, крюк-подъемник для извлечения моделей и отъемных частей, ланцет, гладилку, ложечку и крючок для отделки и ремонта полуформ и стержней, вентиляционную иглу; твердомер мод. 071, плавильная печь, литейные ковши, набор плавильных инструментов, шихтовые материалы для выплавки чугуна или алюминиевых сплавов, единая формовочная смесь или облицовочная и наполнительная смеси, противопригарное покрытие, керосин или смесь 50 % керосина и 50 % мазута для протирки моделей, сухой кварцевый песок или серебристый графит для присыпки поверхности разъема полуформ.
Порядок проведения работы
Работа рассчитана на 4 ч.
Подготовить модели отливок и элементов литниковой системы, опоки, подмодельные и подопечные плиты, формовочный инструмент и рабочее место.
Подготовить формовочную смесь, разделительный состав и противопригарное покрытие.
Из формовочной смеси изготовить полуформы по постоянным разъемным и неразъемным моделям и моделям с отъемными частями.
Замерить твердость рабочих поверхностей полуформ.
Собрать формы.
Приготовить жидкий металл и залить его в формы.
Выдержать отливки в форме.
Выбить отливки из форм. Выбить стержни и очистить поверхность отливок.
Оценить качество поверхности отливок, выявить поверхностные дефекты.
Результаты наблюдений и их обработка
Результаты опытов внести в рабочий журнал.
Провести статистическую обработку результатов измерений твердости полуформ. Вычислить доверительный интервал при вероятности 0,95. Оценить относительную погрешность измерений.
Содержание отчета
Общие сведения о формовке по постоянным моделям.
Эскизы постоянных моделей (разъемных, неразъемных, с отъемными частями).
Технология изготовления форм по различным моделям.
Результаты определения твердости полуформ.
Оценка качества поверхности отливок с описанием дефектов и вероятных причин их образования.
Выводы.
Контрольные вопросы
Какие материалы и оснастка используются при изготовлении форм?
Как классифицируют литейные модели?
Какие технологические операции необходимо выполнить при формовке?
В какой последовательности выполняют технологические операции при формовке по разъемной модели в опоках?
В чем отличия формовки по неразъемной и разъемной моделям?
Зачем подрезают часть смеси в полуформах при формовке по неразъемной модели?
Зачем изготовляют модели с объемными частями и как их извлекают из полуформ?
Какие дефекты образуются в отливках вследствие некачественной формовки?
Работа 12
ИЗГОТОВЛЕНИЕ ФОРМ И СТЕРЖНЕЙ
С ОТВЕРЖДЕНИЕМ В ХОЛОДНОЙ ОСНАСТКЕ *
Общие сведения
Способы изготовления форм и стержней отверждением в холодной оснастке основаны на свойстве связующих отверждаться в смесях при нормальной температуре под воздействием твердых, жидких или газообразных реагентов-отвердителей или катализаторов. Твердые и жидкие отвердители или катализаторы вводят в смеси при их приготовлении. Смеси, содержащие отвердители или катализаторы, отверждаются без внешнего воздействия и называются самотвердеющими. Газообразные отвердители вводят в смеси после их уплотнения в опоках или стержневых ящиках. Смеси, отверждаемые газовыми реагентами, в отличие от само- твердеюших, имеют практически неограниченную живучесть.
Рис. 20. Кинетика упрочнения самотвер- деющих смесей с низким (/), средним (2) и высоким (3) содержанием отвердителя (катализатора)
В самотвердеющих смесях процессы, приводящие к прочному связыванию песчинок друг с другом, начинаются сразу после введения связующих. На рис. 20 показана зависимость прочности смеси при сжатии оСЯ! от времени яг. Вначале процессы твердения
протекают с малой скоростью и прочность смеси практически не возрастает. Чем больше этот период /, называемый индукционным, тем выше живучесть смеси. За индукционным периодом следуют периоды активного упрочнения смеси // и замедленного роста ее прочности III. Для завершения процесса отверждения смеси требуются десятки часов. Однако модели из полуформ и стержни из ящиков извлекают через 10—50 мин после заполнения оснастки. За это время прочность смеси должна достичь в зависимости от массы стержня 0,1—1,0 МПа. Этот уровень прочности называют манипуляторным, так как он оказывается достаточным для выполнения с полуформами и стержнями последующих технологических и транспортных операций (манипуляций). В этом случае доупрочнение смеси происходит вне оснастки — после удаления моделей из полуформ и стержней из стержневых ящиков. Так, прочность при сжатии жидкой самотвердеющей смеси на жидком стекле через 1 ч составляет 0,2—0,5, а через 24 ч — 0,7—1,3 МПа. Живучесть самотвердеющих смесей в зависимости от способа изготовления полуформ и стержней и их габаритных размеров колеблется от десятков секунд до 20 мин. Живучесть смеси и скорость ее отверждения регулируются подбором вида и количества катализатора или отвердителя, а также дополнительным введением в смесь добавок — регуляторов твердения. Смеси с большей живучестью (см. рис. 20, кривая 7) упрочняются медленнее, чем смеси с меньшей живучестью (кривые 2 и 3).
По физическому состоянию смеси, твердеющие в холодной оснастке, могут быть жидкими, пластичными и сыпучими.
Жидкие самотвердеющие смеси (ЖСС), наряду с огнеупорным наполнителем и связующим, содержат отвердитель и пенообразующее поверхностно-активное вещество (ПАВ). В ЖСС на основе лигносульфонатов СДБ связующее обладает некоторой пенообразующей способностью, поэтому в их состав пенообразователи можно не вводить.
Отвердители ЖСС выбирают в зависимости от природы связующего. Для жидкостекольных ЖСС отвердителями служат силикаты кальция (содержащиеся в феррохромовом и доменном шла-
Рис. 21. Схемы продувки полуформы (о) и стержня (5) углекислым газом:
I — модель; 2 — отверстия для продувки; 3 — опока; 4 — под- модельн ая плита; Б — шланг для подвода rasa; 6 — наконечники;
7 — стержень; 8 ^ стержневой ящик
ках, нефелиновом шламе и других материалах), силициды (ферросилиций) и кремний-фтористые соединения (H2SiFe, Na2SiFe).
Органические ЖСС на лигносульфонатах СДБ отверждаются в присутствии окислителя — соединения шестивалентного хрома или алюминатов натрия и кальция.
Органические ЖСС на синтетических мочевиноформальдегид- ных и фурановых смолах отверждаются под воздействием катализаторов—органических и неорганических кислот (сульфокислот, фосфорных кислот).
В качестве пенообразующих ПАВ используют преимущественно анионактивные вещества (ДС-РАС, КЧНР, мылонафт, контакт Петрова).
Отличительной особенностью технологического процесса изготовления форм и стержней из ЖСС является получение псевдоожиженной смеси, заполнение ею полости опоки или стержневого ящика путем заливки (без дополнительного уплотнения), выдержка смеси в оснастке до достижения манипуляторной прочности (30—50 мин).
Пластичные самотвердеющие смеси (ПСС), в отличие от ЖСС, не содержат пенообразующих ПАВ, но включают до 5 % глины. Присутствие глины обеспечивает высокую прочность смеси в сыром состоянии. Это исключает необходимость длительной выдержки перед удалением модели из полуформ и извлечением стержней из стержневых ящиков. ПСС уплотняют, как песчано-глинистые смеси. Чаще ПСС используют как облицовочную смесь.
Сыпучие самотвердеющие смеси получают с использованием жидкого стекла или синтетических смол. Они отверждаются газообразными, жидкими или твердыми отвердителями.
Способ изготовления полуформ и стержней из жидкостекольной смеси продувкой углекислым газом получил название СО2- процесса. Полуформы и стержни продувают СО2 после уплотнения смеси в оснастке. Продувку осуществляют через отверстия в оснастке или специально выполненные в стержне каналы (рис. 21). Длительность продувки составляет ~1 мин. При более длительной продувке прочность смеси снижается. Отверждение смеси и упрочнение стержня обусловлено образованием геля кремниевой кислоты при взаимодействии жидкого стекла с углекислым газом. Аналогичным образом получают полуформы и стержни из песча-
но-смоляных смесей, твердеющих при продувке парами триэтил- амина или циклогексанола (Ashland-процесс), газообразным SO2. В смеси для 5О2-процесса дополнительно содержится окислитель, который обеспечивает переход SO2 в SO3. Последний взаимодействует с влагой смеси с образованием серной кислоты, в присутствии которой реализуется реакция поликонденсации связующего.
Способ получения полуформ и стержней из сыпучих смесей с жидкими отвердителями получил название ХТС-процесса. При ХТС-процессе используют смеси на жидком стекле или синтетических смолах. В качестве отвердителей жидкостекольных смесей используют сложные эфиры (моно-, ди- и триацетины, про- пиленкарбонат и др.). Их отверждающее действие основано на гидролизе эфиров в щелочной среде, в результате чего образуются кислота и спирт. Кислота создает необходимую среду (pH раствора связующего) для образования геля кремниевой кислоты.
Песчано-смоляные смеси отверждают водным или спиртовым раствором катализаторов, например ортофосфорной кислоты, бензосульфокислоты, паратолуолсульфокислоты, хлоридов железа, олова, меди, алюминия, циркония, относящихся к группе льюисовых кислот.
Полуформы и стержни из ХТС получают по металлической, деревянной и пластмассовой оснастке. Формовочные уклоны этой оснастки в 1,5—2 раза больше по сравнению с уклонами моделей для форм из песчано-глинистых смесей. Металлические ящики рекомендуется подогревать до 30—35 °C в целях ускорения отверждения смеси и предотвращения ее прилипания к оснастке. Сыпучие песчано-смоляные смеси уплотняют вибрацией, пескодувным и пескострельным способами, ручной и пневматической трамбовками. При изготовлении стержней с каркасами засыпку и уплотнение смеси выполняют в два приема — до и после установки каркасов. Продолжительность выдержки мелких стержней в оснастке составляет 10—15 мин, а крупных 30—40 мин.
Оборудование, инструмент и материалы
Смесители катковые, лопастные и шнековые, вибростол для уплотнения смеси, баллон с углекислым газом, снабженный вентилем и газоподводными шлангами, стержневые ящики для изготовления стержней толщиной 10—50 мм и длиной 100—150 мм, литейные модели для получения полых отливок длиной 80—120 мм и со стенками толщиной 10—50 мм, комплекты формовочных инструментов, пульверизатор для нанесения разделительного состава, лабораторный копер, приспособление для изготовления стандартных образцов, приборы для определения шероховатости поверхности отливок, измерительный инструмент — штангенциркуль (ШЦ-1, ШЦ-2 или ШЦ-3), твердомеры мод. 071 и 073М, обогащенный и кварцевый пески, жидкое стекло, феррохромовый шлак, пенообразующее ПАВ, 15—20 %-ный водный раствор NaOH,
смоляные связующие и катализаторы для их твердения: БС-40 и ортофосфорная кислота или ФФ-1Ф и бензосульфокислота (паратолуолсульфокислота), разделительный состав (смесь керосина, парафина и серебристого графита в соотношении по массе 8:2: 1,5 или смесь мазута и керосина в соотношении по массе 1 : 1).
Порядок проведения работы
Работа рассчитана на 8 ч.
Подготовить модели и стержневые ящики — очистить их от остатков смеси и нанести пульверизатором разделительный состав.
Изготовить полуформы и стержни по СО2-процессу. Приготовить смесь, засыпать ее в полость оснастки и уплотнить, срезать излишек смеси с оснастки, выполнить душником каналы и продуть их СО2 в течение 15—60 с под давлением 0,15—0,6 МПа. Затем извлечь оснастку из полуформы и стержень из ящика. Полуформы и стержни отделать.
Изготовить полуформы и стержни по ЖСС-процессу. Приготовить смесь на жидком стекле с феррохромовым шлаком и залить ее в полость оснастки. Через 15—20 мин удалить излишек смеси, а через 25—40 мин извлечь модель из полуформ и стержень из ящика, отделать полуформы и стержни.
Изготовить полуформы и стержни по ХТС-процессу. Приготовить песчано-смоляную смесь с жидким отвердителем, засыпать ее в полость оснастки и уплотнить, срезать излишек смеси и выполнить душником вентиляционные каналы. Через 10— 40 мин после уплотнения смеси извлечь модели из полуформ и стержни из ящиков, отделать полуформы и стержни.
Изготовить стандартные образцы из каждого типа само- твердеющей смеси (сразу после их приготовления) и испытать их на сжатие через 15, 30, 60 и 120 мин.
Измерить твердость рабочих поверхностей полуформ и стержней сразу после их изготовления и перед сборкой формы для заливки ее жидким металлом.
Собрать формы, полученные по различным технологиям.
Приготовить жидкий металл (сталь, чугун, алюминиевый или медный сплав), залить его в формы и получить отливки.
Замерить шероховатость поверхности отливок, полученных по различным вариантам отверждения смеси в холодной оснастке.
Результаты наблюдений и их обработка
Результаты наблюдений занести в таблицу.
Провести статистическую обработку результатов измерений прочности смеси, твердости формы и стержней, шероховатости поверхности отливки. Вычислить доверительные интервалы при вероятности 0,95. Оценить погрешности выполненных измерений.
Покаватели качества формы и отливки
Способ изготовления формы
еО,-процево
ЖСС-процевв
ХТС-процево
Прочность смеси при сжатии, Па, по прошествии времени, мин:
15
30
60
120
Твердость формы, единицы: после изготовления перед сборкой и заливкой
Шероховатость поверхности отливки Rz, мкм
Провести сопоставительный анализ качества стержней, полученных по СО2, ЖСС- и ХТС-процессам.
Провести сопоставительный анализ качества отливок, изготовленных в формах, полученных по СО2-, ЖСС- и ХТС-процес- сам.
Содержание отчета
Общие сведения о способах изготовления форм и стержней отверждением в холодной оснастке.
Описание технологий изготовления полуформ и стержней по СО2-, ЖСС-, ХТС-процессам.
Показатели качества (твердость, шероховатость и прочность) форм, стержней и отливок, полученных по различным технологическим вариантам.
Выводы.
Контрольные вопросы
В чем сущность способов изготовления форм и стержней по СО2-, ЖСС- и ХТС-процессам?
Какие смеси применяют при СОа-процессе? Какова роль СО2 в упрочнении смеси?
Что входит в состав ЖСС, каково их назначение? Как они упрочняются?
Перечислите компоненты ХТС.
Как изготовляют полуформы и стержни по ХТС-процессу? Как они упрочняются?
Что такое живучесть смеси и от чего она зависит?
Сколько времени надо выдерживать стержни в оснастке?
Можно ли ускорить отверждение смеси и до какого предела?
В чем достоинства и недостатки технологии изготовления форм и стержней по СО,-, ЖСС- и ХТС-процессам?
Работа 13
ИЗГОТОВЛЕНИЕ СТЕРЖНЕЙ С УПРОЧНЕНИЕМ ТЕПЛОВОЙ СУШКОЙ
Общие сведения
Стержни являются элементами литейных форм. Их применяют для выполнения в отливках внутренних полостей и отверстий. С помощью стержней частично или полностью формируют и наружные поверхности отливок. Стержень состоит из рабочей и знаковой частей. Рабочая часть непосредственно контактирует с металлом и формирует требуемую геометрию полостей, отверстий и наружных поверхностей отливки. Знаковая часть стержня не контактирует с заливаемым в форму жидким металлом. Она обеспечивает фиксацию стержня в литейной форме. Знаковая часть стержня опирается на знаковую часть формы. Ее прочность должна быть достаточной, чтобы выдерживать нагрузку, обусловленную собственным весом стержня и давлением жидкого металла на стержень. Через знаки также удаляются газы, образующиеся в стержне под тепловым воздействием металла.
К стержням предъявляют более высокие, чем к формам, требования по огнеупорности, газопроницаемости, термохимической устойчивости, прочности, податливости, выбиваемости, газо- творности и осыпаемости. Обеспечить выполнение всех этих требований очень трудно, но к этому нужно стремиться. Для этого стержни, как правило, изготовляют из кондиционных свежих формовочных песков с использованием связующих материалов с высокой удельной прочностью. Усложняют и конструкцию стержней — устанавливают в них металлическую арматуру и выполняют специальные вентиляционные каналы. Это обеспечивает дополнительное упрочнение стержней и направленный отвод из них газов через знаковые части. Кроме того, стержни подвергают тепловой сушке.
Технология изготовления стержней с упрочнением тепловой сушкой вне оснастки имеет давнюю историю. Она универсальнее технологии изготовления стержней отверждением в нагретой и холодной оснастке, разработанной уже в XX веке, так как позволяет получать стержни любого класса сложности, любой массы и размеров. Недостатком этой технологии является продолжительный цикл изготовления, обусловленный необходимостью длительной тепловой сушки. Кроме того, стержни имеют меньшую размерную точность, так как могут деформироваться в процессе извлечения их из стержневых ящиков, транспортирования в сыром состоянии и тепловой сушки. Для предотвращения деформирования и разрушения крупные стержни изготовляют из смесей с высокой прочностью в сыром состоянии.
Технология изготовления стержней с упрочнением тепловой сушкой вне оснастки включает следующие операции: подготовку
Рис. 22. Удаление стержней из вытряхных стержневых ящиковРис. 22. Удаление стержней из вытряхных стержневых ящиковгтп । mmiгтп । mmi
Рис. 22. Удаление стержней из вытряхных стержневых ящиков
Рис. 22. Удаление стержней из вытряхных стержневых ящиков
гтп । mmi
гтп । mmi
оснастки, формовку стержня —заполнение полости стержневого ящика смесью и ее уплотнение; выполнение в стержне газоотводных вентиляционных каналов; удаление стержня из стержневого ящика; отделку стержня и нанесение противопригарного покрытия; сушку и подготовку его к установке в форму.
Подготовка оснастки заключается в проверке комплектности и исправности стержневого ящика, сушильных плит, нанесении на рабочую поверхность стержневого ящика разделительного состава (смеси 50 % керосина и 50 % мазута, 2—4 %-ного раствора воска в керосине или уйат-спирите).
При формовке стержней на пескодувной и пескострельной машинах, а также пескометом технологические операции заполнения стержневого ящика смесью и ее уплотнения выполняются одновременно. При формовке стержней на встряхивающих машинах стержневой ящик сначала заполняют смесью на 2/3—3/4 его объема, уплотняют встряхиванием, затем устанавливают каркас и досыпают в ящик смесь при одновременном встряхивании. Верхний слой смеси обычно доуплотняют вручную, используя пневматические трамбовки. При ручной формовке стержней заполнение ящика смесью и ее уплотнение проводят, как и при ручном изготовлении форм, последовательно уплотняя слои толщиной 30— 60 мм. Смесь уплотняют ручной или пневматической трамбовкой. Проволочные каркасы в мелкие стержни простой конфигурации вставляют (забивают) после завершения уплотнения смеси.
Вентиляционные каналы в стержнях получают различными способами. В небольших стержнях .с развитыми знаковыми частями их выполняют накалыванием вентиляционной иглой — душником. В стержнях сложной конфигурации с малыми знаковыми частями для получения вентиляционных каналов в стержень при его формовке закладывают восковые фитили. При последующей сушке воск выплавляется и на месте прокладки фитиля об- 64
Рис. 23. Удаление стержней из разъемных стержневых ящиковРис. 23. Удаление стержней из разъемных стержневых ящиковразуется газоотводный канал, который всегда имеет выход в знаковую часть стержня. Крупные стержни выполняют с внутренними пустотами, куда закладывают наполнители — шлак или опилки. Из знаковой части стержня к пустоте подводят широкий вентиляционный канал. В стержнях, получаемых из нескольких частей, вентиляционные каналы прорезают гладилкой в плоскости их разъема.
Рис. 23. Удаление стержней из разъемных стержневых ящиков
Рис. 23. Удаление стержней из разъемных стержневых ящиков
Из вытряхных стержневых ящиков заформо- ванные стержни удаляют следующим образом. На
ящике 1 (рис. 22, а) закрепляют сушильную плиту 3, затем ящик вместе с плитой переворачивают на 180°. Кантовку осуществляют вручную, краном, на стержневых машинах или специальных кантователях. Стержневой ящик обстукивают со всех сторон деревянным молотком, после чего его аккуратно поднимают над стержнем 2, находящимся на плите. При наличии у стержневого ящика отъемных частей и стенок вверх поднимают только коробку ящика 4 (рис. 22, б). При этом отъемные части и стенки 5 остаются на плите 3 вместе со стержнем. Для отделения от стержня их также предварительно обстукивают» затем отъемные части извлекают, а отъемные стенки раздвигают
в стороны.
Для извлечения стержня из разъемного ящика последний устанавливают на сушильную плиту открытой знаковой частью вниз. Затем половинки разъемного ящика раздвигают в стороны параллельно плоскости сушильной плиты. Высокие (длинные) стержни с малыми знаками, которые не могут быть устойчиво установлены на сушильной плите знаковыми частями или могут деформироваться под собственным весом, извлекают из ящика в горизонтальном положении. При этом сначала снимают верхнюю половину ящика, а вместо него на нижнюю половину ящика 1 устанавливают фасонную сушильную плиту 2 (рис. 23, а). Затем нижнюю половину ящика кантуют вместе с плитой и стержнем. При этом стержень 3 располагается в гнездах сушильной плиты (рис. 23, б), поэтому съем нижней половины стержневого ящика не приводит к повреждению стержня. В мелкосерийном и единичном производстве вместо фасонной сушильной плиты используют рамку.
65653 П/р А. В. Курдюмова
65
65
Режимы сушки стержней
Связующие
Температура сушки, 9С
Продолжительность сушки, ч, при толщине стенкн стержня, мм
До 100
100—200
Более 200
Органические
160—240
0,75—1,50
1,50—3,00
3,0—7,0
Глина
300—350
1,00—2,00
2,00—5,00
5,0—24,0
Жидкое стекло
200—250
0,75—1,00
1,00—2,00
2,0—5,0
Синтетические смолы
300—350
0,30—0,75
0,75-1,50
—
Ее устанавливают на место верхней половины ящика и полость рамки 4 заполняют песчаной смесью 5, слегка ее уплотняя (рис. 23, в). Затем рамку накрывают сушильной плитой 6 и после кантовки снимают нижнюю половину ящика и рамку (рис. 23, г). В этом случае стержень оказывается уложенным на песчаное основание сушильной плиты, называемое постелью.
Первичную отделку стержня проводят сразу после извлечения из ящика. Исправляют поврежденные, уплотняют недоуплот- ненные места, укрепляют выступающие части стержня стальными шпильками через каждые 25—40 мм, открывают доступ к вескам и делают дополнительные вентиляционные каналы. При необходимости на рабочую часть стержня наносят противопригарное покрытие.
Сушат стержни вне оснастки. При этом происходит не только их обезвоживание (собственно сушка), но и плавление и затвердевание или окисление и полимеризация связующих. Все эти процессы направлены на повышение рабочих свойств стержня. Вследствие удаления влаги происходит упрочнение стержней из смесей на водных связующих материалах. Масла и продукты их переработки окисляются и полимеризуются, природные смолы и пеки минерального происхождения расплавляются и, затвердевая, также повышают прочность стержней. Параллельно с упрочнением стержней улучшаются их податливость и выбиваемость, растет газопроницаемость.
Процесс сушки включает три этапа: нагрев, выдержку при заданной температуре и охлаждение. Первый этап осуществляют путем медленного нагрева до заданной температуры при повышенной влажности печной атмосферы. Это обеспечивает более быстрый прогрев стержня и предотвращает чрезмерное высыхание его поверхностных слоев и образование трещин. Второй этап сушки проводят в атмосфере топочных газов с низкой влажностью. Температура сушки определяется природой связующего, а длительность — толщиной стенок стержней (табл. 12).
На этапе охлаждения стержней завершаются процессы, обеспечивающие повышение прочности, газопроницаемости и других свойств.
Технологический процесс изготовления стержней заканчивается окончательной их отделкой и контролем. Дефекты на сухих стержнях заделывают замазкой, пригароопасные места натирают противопригарной пастой, при необходимости отдельные части склеивают или собирают в блоки. Геометрию и размеры стержней контролируют с помощью шаблонов.
Оборудование, инструмент и материалы
Сушила или сушильные шкафы с регулируемой температурой рабочего пространства, стержневые вытряхные и разъемные ящики, сушильные плиты и рамки, комплекты формовочных инструментов, пульверизатор для нанесения разделительного покрытия, лабораторный копер, приспособления для изготовления стандартных образцов, приборы для определения прочности, газопроницаемости, твердости сырых и сухих стержней (мод. 071 и 0731М), стержневые составы (не менее трех) на масляном связующем, глине с декстрином, жидком стекле и др., разделительный состав (смесь 50 % керосина и 50 % мазута, 2—4 %-ный раствор воска в керосине или уайт-спирите или смесь воскового раствора с серебристым графитом), спецодежда.
Порядок проведения работы
Работа рассчитана на 6 ч.
Подготовить стержневые ящики: очистить рабочую поверхность от пыли и остатков смеси; проверить исправность путем повторения несколько раз операций сборки и разборки, нанести разделительное -покрытие на рабочие поверхности стержневых ящиков и собрать их.
Приготовить три состава стержневой смеси: № 1 — на масляном связующем, №2 — на глине с декстрином, № 3—на жидком стекле с глиной.
Заформовать стержни смесью № 2 в разъемном ящике, вставить каркасы, выполнить вентиляционные каналы, извлечь стержни из ящиков, отделать и уложить их на сушильную плиту.
Изготовить из смеси № 1 стержни в вытряхнем ящике без отъемных стенок и уложить их на сушильную плиту.
Изготовить из смеси № 3 стержни в вытряхном ящике с отъемными частями или стенками и уложить их на сушильную плиту.
Изготовить по шесть стандартных образцов из трех составов смесей. По трем образцам из каждого состава определить прочность, газопроницаемость и твердость во влажном состоянии.
Выбрать режим сушки для стандартных образцов и каждого типа стержней с учетом толщины стенок и природы связующего.
6767Установить сушильные плиты со стержнями и оставшимися стандартными образцами в сушила или сушильные шкафы и сушить их по выбранным режимам.
67
67
3*
Измерить прочность, газопроницаемость и твердость высушенных стержней.
Оценить качество стержней, полученных из различных смесей, по поверхностной твердости, газопроницаемости и прочности.
Результаты наблюдений и их обработка
Результаты измерений внести в таблицу.
Провести статистическую обработку результатов измерений твердости и других параметров. Вычислить доверительный интервал при вероятности 0,95. Оценить относительную погрешность измерений.
Номер стержневой смеси
Контролируемые показатели———
123
Режим сушки: температура, °C продолжительность, ч
Свойства стержня до сушки: прочность при сжатии, Па газопроницаемость, единицы твердость, единицы
Свойства стержня после сушки: прочность при сжатии, Па прочность при растяжении, Па газопроницаемость, единицы твердость, единицы
Содержание отчета
Общие сведения об устройстве стержней, технологических операциях их изготовления в вытряхнем и разъемном стержневых ящиках.
Эскиз стержня со всеми его элементами.
Схемы формовки и извлечения стержней из разъемных и вытряхных стержневых ящиков.
Результаты опытов.
Выводы.
Контрольные вопросы
Каково назначение стержней? Какие требования к ним предъявляют?
Назовите элементы стержня. Каково их назначение?
Какие технологические операции включает процесс изготовления стержней?
В чем особенности конструкции разъемных и вытряхных стержневых ящиков?
Какими способами уплотняют смесь в стержневых ящиках?
Как получают стержни в вытряхных стержневых ящиках?
Каково назначение фасонных сушильных плит и когда их применяют?
Что такое «песчаная постель» и когда ее используют?
Каково назначение сушки? Какие процессы происходят при сушке стержней?
Как осуществляют сушку стержней? Какие факторы влияют на режим сушкн стержней?
Работа 14
ИЗГОТОВЛЕНИЕ СТЕРЖНЕЙ С ОТВЕРЖДЕНИЕМ
В НАГРЕТОЙ ОСНАСТКЕ
Общие сведения
Изготовление стержней с отверждением в нагретой оснастке является одним из самых эффективных способов. Стержни в нагретой оснастке упрочняются быстро (от пяти секунд до нескольких минут). Отверждение смеси в оснастке устраняет необходимость применения каркасов и сушки стержней, обеспечивает повышение качества и размерной точности отливок, уменьшение трудоемкости финишных операций их изготовления, возможность механизации и автоматизации основных технологических операций изготовления стержней. Недостатком способа является токсичность газов (фенола, формальдегида и др.), выделяющихся из смеси при ее отверждении и прогреве стержня залитым в форму металлом.
Смеси, отверждаемые в нагретой оснастке, содержат следующие основные компоненты: огнеупорную основу, связующее, отверждающееся при тепловой обработке, и добавки (катализатор и др.) (приложение, табл. Ш). В качестве огнеупорной основы смеси используют кварцевый или цирконовый песок с содержанием глинистой составляющей не более 0,5 %. Чем меньше песок содержит глинистой составляющей, тем ниже расход связующего и тем меньше выделяется токсичных газов.
В качестве связующих материалов применяют синтетические фенолоформальдегидные (СФ-011, СФ-015, СФ-180, ПК-104 и д^.), карбамидные (ВК-1, ФМС, ФПР-24 и др.) и фурановые (ФФ-1С, ФФ-1СМ, КФ-35, КФ-40, КФ-90 и др.) смолы, а также быстро твердеющие связующие—продукты переработки древесины, кукурузы, жидкого стекла (КВС, ССБ, гидрол, гидросил, ПРС и др.).
Катализаторами процесса отверждения смол служат органические и неорганические кислоты (сульфокислоты, щавелевая и соляная кислоты, ортофосфорная кислота в виде 10—20 %-ных водных растворов и др.). Смеси могут содержать также до 1,5 % оксида железа и до 0,5 % серебристого графита (для повышения теплопроводности), до 0,1 % стеаратов кальция и цинка (для уменьшения прилипаемости смеси к нагретой оснастке, увеличения их текучести и живучести).
Отверждение смеси с синтетическими смолами происходит в результате полимеризации и поликонденсации связующего.
69
Рис. 24. Зависимость времени тотв отверждения стержня при температуре 220° С от его толщины s и вида связующего:
I — ПРС; 2 — ПК-104; 3 — ФФ-1С
В нагретой оснастке этот процесс происходит очень быстро. Связующие не-
твер-ДЛЯ смесейтвер-ДЛЯ смесейсинтетического происхождения деют при удалении влаги, отверждения стержней из
твер-
ДЛЯ смесей
твер-
ДЛЯ смесей
смеси. По своему физическому состосмеси. По своему физическому состос такими связующими требуется их длительная выдержка в нагретой оснастке (рис. 24). Наибольшее применение получили песчано-смоляные
смеси. По своему физическому состо
смеси. По своему физическому состо
янию они могут быть сухими, влажными и жидкими. Из сухих смесей получают оболочковые стержни. Сухие и влаж
ные смеси уплотняются в стержневой оснастке за счет собственного
веса, пескодувным или пескострельным методом, а жидкие — путем запрессовки дозированной порции пеносмеси плунжером. Упрочнение стержней в нагретой оснастке обусловлено необратимыми процессами, протекающими в связующем при прогреве смеси. В начальной стадии смола, называемая резолом, представляет собой жидкий или твердый полимер с линейным строением. В промежуточной стадии смола, называемая резито- лом, имеет двумерное строение и находится в эластичном состоянии. В окончательной стадии смола, называемая резитом, представляет собой полимер с трехмерным пространственным строением. Упрочнение стержня обеспечивается отверждением смеси, точнее переходом связующего в ней из стадии резола в стадию резита. Этот процесс протекает и при нормальной температуре, но очень медленно.
На скорость отверждения смесей влияют как температурный фактор, так и присутствие катализаторов. С увеличением расхода катализатора смесь отверждается быстрее. При одинаковом расходе катализатора с повышением температуры отверждение смеси ускоряется:
I'otb — A exp (5ДОТВ),
где тотв — продолжительность отверждения смеси, с; Л и В — эмпирические коэффициенты, имеющие соответственно единицы измерения с и °C; /отв — температура отверждения, °C.
Продолжительность упрочнения стержня в нагретой оснастке определяется интенсивностью его прогрева до температуры отверждения смеси. Она в большинстве случаев лимитирует производительность стержневого оборудования. Для сокращения продолжительности выдержки стержня в оснастке используют следующие приемы.
Стержень извлекают из нагретой оснастки до полного отверждения смеси. При образовании у поверхности оснастки отвержденного слоя смеси толщиной 8—12 мм обеспечивается прочность стержня, достаточная для его извлечения из ящика и транспортирования без разрушения и деформации. Отверждение смеси во внутренних слоях стержня завершается вне оснастки за счет теплоты, аккумулированной им в период выдержки в оснастке.
Интенсифицируют прогрев стержня путем введения в состав смеси высокотеплопроводных добавок (оксид железа, серебристый графит), продувкой стержня горячим воздухом, выполнением стержня пустотелым с помощью обогреваемой вставки, повышением температуры оснастки до максимально допустимого значения. При более высокой температуре поверхностные слои стержня перегреваются и разупрочняются из-за термического разложения связующего.
Применяют связующие с высокой реакционной способностью в сочетании с катализаторами. Взаимодействие таких связующих с катализаторами носит экзотермический характер. Выделяющаяся при этом теплота химической реакции ускоряет прогрев стержня. Для смесей с некоторыми фурановыми смолами нагретая оснастка необходима в основном для возбуждения реакции отверждения связующего; дальнейшее отверждение может идти вне оснастки произвольно за счет теплоты экзотермической реакции.
В связи с замедленным прогревом массивных стержней в нагретой оснастке изготовляют стержни 1—3-го классов сложности, преимущественно тонкостенные толщиной не более 100 мм.
Стержневые ящики, предназначенные для получения стержней в нагретой оснастке, изготовляют из серого чугуна, реже из стали и алюминиевых сплавов. Материал стержневого ящика должен обеспечивать высокую размерную точность при иагреве до 300 °C. На плохо обогреваемых участках стержней рабочую поверхность стержневого ящика оформляют медными вставками. Конструкции стержневых ящиков при газовом и электрическом обогреве различаются. В первом случае их выполняют тонкостенными (толщиной 15—25 мм), во втором — толстостенными (толщиной 40—100 мм) с встроенными электронагревателями. Иногда пользуются необогреваемыми стержневыми ящиками, для отверждения стержни загружают в электропечь с температурой до 290 °C вместе со стержневыми ящиками сразу после уплотнения в них смеси.
Технологический процесс изготовления стержня упрочнением в нагретой оснастке включает следующие операции: подготовку стержневого ящика путем его очистки от остатков смеси, подогрева до 180 °C и нанесения разделительного состава; сборку стержневого ящика, заполнение его полости смесью и уплотнение последней; выдержку стержня в оснастке для его прогрева и отверждения поверхностных слоев смеси; извлечение стержня из оснастки и
выдержку его на воздухе для отверждения смеси во внутренних слоях; отделку стержней и при необходимости нанесение противопригарного покрытия (после нанесения водосодержащих покрытий их подвергают дополнительной подсушке).
Оборудование, инструмент и материалы
Пескодувная или пескострельная машина с надувной головкой, нагреваемый стержневой ящик для получения стержней толщиной 10—50 и длиной 100—150 мм или металлический стержневой ящик обычной конструкции и сушильный шкаф с температурой рабочего пространства 280—350 °C, литейные модели для получения полых отливок длиной 80—120 со стенками толщиной 10—50 мм, комплект формовочных инструментов, твердомеры мод. 071 и 073М, пульверизатор, приборы для определения осыпаемости, прочности смеси при растяжении и газопроницаемости, шероховатости поверхности отливок, штангенциркуль (ШЦ-1, ШЦ-2 или ШЦ-3), формовочная песчано-глинистая смесь для изготовления полуформ, разделительный состав [3—4 %-ный раствор синтетического термостойкого каучука в уайт-спирите (СКТ-Р) или 3—4 %-ный водный раствор латекса (СКТВ или СКТН), или силиконовые жидкости № 2, 3, 5], обогащенный или кварцевый песок, связующие (20 %-ный раствор мочевины или 50 %-ный раствор СДБ в фенолоспирте, смолы ФФ-1С или КФ-90, декстрин или СДБ), катализаторы (ЛСФ-А и 10 %-ный водный раствор НО), спецодежда.
Порядок проведения работы
Работа рассчитана на 8 ч.
Подготовить стержневые ящики: очистить их от остатков стержневой смеси, нагреть до 180 °C, нанести на их нагретую поверхность пульверизатором разделительный состав в два слоя с интервалом 10—15 мин.
Нагреть стержневые ящики до 260 °C, вдуть в их рабочую полость стержневую смесь и выдержать стержень в ящике при указанной температуре в течение 10—180 с. Температуру оснастки и продолжительность выдержки задает преподаватель. При нагреве ящиков в печи смесь вдувают в необогреваемую оснастку. Затем ящики вместе со стержнями выдерживают в печи (шкафу) при температуре 280—350 °C в течение 10—40 мин. Время задает преподаватель.
Извлечь стержни из ящиков и охладить их.
Разрезать стержни поперек, измерить твердость по сечению и поверхностную твердость. По распределению твердости оценить степень завершенности отверждения стержня.
Изготовить стержень из песчано-глинистой смеси с добавкой декстрина или СДБ и высушить ее при 180—200 °C.
Оценить качество стержней, полученных отверждением смеси в нагретой оснастке в оптимальном варианте и тепловой 72
сушкой вне оснастки. Сопоставить их размерную точность, поверхностную твердость, прочность и газопроницаемость.
Изготовить полуформы для получения полых отливок, собрать формы со стержнями, полученными в нагретой оснастке и тепловой сушкой.
Приготовить жидкий металл, залить его в формы.
Измерить шероховатость поверхности отливок, полученных различными способами.
Сопоставить шероховатость поверхности, размерную точность и чистоту поверхности полученных отливок.
Результаты наблюдений и их обработка
Результаты наблюдений внести в таблицы.
Провести статистическую обработку результатов измерений. Вычислить доверительный интервал при вероятности 0,95. Оценить относительную погрешность измерений.
Провести сопоставительный анализ качества стержней, полученных отверждением в нагретой оснастке и тепловой сушкой вне оснастки, и отливок, изготовленных с их применением.
Свойства стержня
Продолжительность выдержки стержня в оснастке, с
10—30
40—60
70—100
120—180
Газопроницаемость, единицы Прочность при растяжении, Па Поверхностная твердость, единицы Твердость по сечению стержня, единицы:
у поверхности на 1/4 толщины на 1/2 толщины
Свойства стержня и показатели качества отливки
Способ изготовления стержня
в нагреваемой оснастке
тепловой сушкой вне оснастки
Свойства стержня: прочность, Па газопроницаемость, единицы поверхностная твердость, единицы размерная точность, %
Показатели качества отлнвки: размерная точность, % шероховатость поверхности Rz, мкм
Построить графические зависимости свойств стержня от продолжительности выдержки в нагретой оснастке.
Содержание отчета
Общие сведения об особенностях технологического процесса изготовления стержней с отверждением смеси в нагретой оснастке.
Эскизы стержней и стержневых ящиков.
Порядок выполнения работы.
Режимы отверждения, параметры качества стержней и отливок.
Результаты опытов.
Выводы.
Контрольные вопросы
В чем сущность способа изготовления стержней с отверждением смеси в нагретой оснастке?
Какие материалы входят в состав смеси для отверждения в нагретой оснастке и каково их назначение?
Какие требования предъявляют к огнеупорному наполнителю песчаносмоляной смеси?
От чего зависит продолжительность цикла изготовления стержней в нагретой оснастке?
Какие технологические операции выполняют при изготовлении стержней в нагретой оснастке?
Как нагревают стержневые ящики?
Чем отличаются конструкции стержневых ящиков с газовым н электрическим нагревом?
В чем достоинства и недостатки способа изготовления стержней с отверждением смеси в нагретой оснастке?
Работа 15
ИЗГОТОВЛЕНИЕ СТЕРЖНЕЙ НА ПЕСКОДУВНЫХ И ПЕСКОСТРЕЛЬНЫХ МАШИНАХ
Общие сведения
В современных литейных цехах стержни изготовляют на пескодувных и пескострельных машинах. Использование машин позволяет полностью механизировать, а часто и автоматизировать трудоемкий процесс изготовления стержней.
Схема работы пескодувной машины представлена на рис. 25. Сжатый воздух под давлением 0,5—0,7 МПа, попадая в резервуар 1 со смесью, увлекает ее через вдувные отверстия 2 в полость стержневого ящика 3, установленного на столе машины 4, и уплотняет ее. Воздух через специальные отверстия 5 (венты) с мелкой сеткой уходит в атмосферу. Уплотнение смеси происходит за счет кинетической энергии вдуваемой смеси и разности входного Рг и выходного Р2 давлений воздуха. Преобладание того или иного фактора зависит от системы вентиляции стержневого ящика (опоки), т. е. от числа и расположения вент.
При верхней вентиляции, когда венты располагаются в верхней части ящика, основным фактором уплотнения является кинетическая энергия песчано-воздушного потока, так как в этом случае в стержневом ящике отсутствует противодавление (низкое значение Pj), скорость потока будет высокая, а фактор фильтрации будет иметь второстепенное значение.
При нижней вентиляции, когда основная часть воздуха отводится через нижние венты, уплотнение за счет скоростного напора (кинетической энергии) происходит только вначале, когда венты открыты. В дальнейшем скорость потока падает, так как увеличивается противодавление Рг в полости стержневого ящика, и при
использовании смеси с достаточ
ной газопроницаемостью уплот- ?ис- 25* Схема пескодувной машины нение будет происходить за счет
разности давлений Рг и Р2. Выбор размера и числа вдувных и выдувных отверстий, а также их расположение зависят от свойств смеси и конфигурации стержня.
Если предел прочности смеси при сжатии во влажном состоянии менее 1 кПа, то диаметр вдувных отверстий 10—12 мм; если более 1 кПа, то диаметр вдувных отверстий 15—25 мм.
Общую площадь вент рассчитывают по формуле
И ^вент = (0,3 4- 0,7) ЦРвд.отв
где ^Евд. отв — площадь сечения вдувных отверстий.
Каждое вдувное отверстие обслуживает 60—80 см2 поверхности стержня.
Чем сложнее конфигурация стержня (формы), тем большее число вент необходимо делать в стержневом ящике. Изготовление стержней этим методом усложняет конструкцию стержневого ящика и предъявляет к его материалу высокие требования по износостойкости.
Для форм диаметр вдувного отверстия принимают несколько большим (до 30 мм). Площадь вент в этом случае подсчитывают по формуле
X F вент = (0>3 -т- 1,0) £} Евд. отв
Рис. 26. Схема пескострельной машины
Число вдувных отверстий определяют из расчета одно отверстие на 100 см2 площади формы. Уплотнение пескодувным способом используют также при изготовлении стержней из холоднотвердеющих смесей и смесей, отверждаемых в горячей оснастке.
В первом случае рядом с пескодувной машиной или непосредственно над резервуаром 1 (см. рис. 25) располагают быстродействующий смеситель периодического действия, причем емкость смесителя должна соответствовать емкости резервуара. Продолжительность перемешивания смеси около 15 с, а выгрузки в резервуар пескодувной машины и наддува смеси 2—3 с. Для изготовления стержней из холоднотвердеющих смесей широко применяют полуавтоматические и автоматические пескодувные машины мод. 4723А, 4742 и 4716А.
Схема работы пескострельной машины представлена на рис. 26. Сжатый воздух через быстродействующий клапан 1 поступает в рабочий резервуар 2, Давление в резервуаре резко повышается, и столб смеси выстреливается через сопло 5 в полость ящика 4. Сопло обязательно должно иметь форму обратного усеченного конуса, чтобы сжатый воздух не прорывался из резервуара в полость ящика. Выталкивание смеси происходит в основном за счет резкого расширения воздуха в рабочем резервуаре.
Рабочий резервуар имеет двойные стенки, на внутренней делают прорези 3. Воздух, проходя через эти прорези, уменьшает трение смеси о боковые стенки, что позволяет применять 76
малотекучие смеси с высокой прочностью при сжатии во влажном состоянии.
Уплотнение достигается за счет кинетической энергии потока смеси. Воздух из резервуара в полость ящика не попадает, поэтому отпадает необходимость устройства в стержневом ящике большого числа вент. Вентиляционные отверстия или венты в ящике нужны только для выхода воздуха из полости ящика. Отсутствие песчано-воздушного потока резко снижает абразивное действие смеси, что позволяет использовать деревянные стержневые ящики.
Оборудование, инструмент и материалы
Пескодувная и пескострельная машины, компрессор (если в лаборатории имеется сеть сжатого воздуха, то необходимость в компрессоре отпадает); стержневые ящики, твердомер, набор формовочного инструмента, стержневая смесь, спецодежда.
Порядок проведения работы
Работа рассчитана на 4 ч.
Изучить устройство пескодувной и пескострельной машин.
Подготовить машины и стержневые ящики к работе.
Подготовить стержневую смесь, состав которой задает преподаватель.
Изготовить стержни на пескодувной машине.
Стержни ИЗГОТОВЛЯЮТ при отношении Е^вент/^вд. отв» равном 0,3; 0,5 и 0,7.
Измерить твердость стержней в нескольких местах с помощью твердомера.
Изготовить стержни на пескострельной машине, при этом использовать вдувные отверстия различных размеров.
Измерить твердость плоских поверхностей стержней.
Оценить качество стержней.
Результаты наблюдений и их обработка
Результаты измерений свести в таблицу.
Оценить истинные значения результатов определения твердости, их надежность при вероятности 0,95, а также относительные и абсолютные погрешности измерений.
Zj^bcht
У^ВЛ. отв
Твердость в точках
1
2
3
...
Среднее значение
0,3
0,5
0,7
Содержание отчета
Описание работы пескодувных и пескострельных машин.
Эскизы стержневых ящиков.
Схемы работы машин.
Результаты измерения твердости стержней.
Выводы.
Контрольные вопросы
Расскажите о принципе работы пескодувной машины.
Каков принцип работы пескострельной машины?
Какое влияние на механизм уплотнения оказывает расположение вент в верхней и иижией частях стержневого ящика?
В чем заключается различие пескодувного и пескострельного способов уплотнения смеси?
Каковы особенности расположения оборудования при изготовлении стержней из ХТС?
ГЛАВА 3. ПОЛУЧЕНИЕ ОТЛИВОК СПЕЦИАЛЬНЫМИ СПОСОБАМИ ЛИТЬЯ
Работа 16
ЛИТЬЕ ПО ВЫПЛАВЛЯЕМЫМ МОДЕЛЯМ
Общие сведения
Литье по выплавляемым моделям широко применяют в машиностроении, приборостроении и других отраслях. По сравнению с литьем в песчаные формы оно имеет ряд преимуществ: отливки характеризуются чистой поверхностью (/?z = 40-?- 10 мкм по ГОСТ 2789—73) без пригара, высокой точностью (3—8-й класс по ГОСТ 26645—85) размеров и масс, иногда даже не предусматривают припуски на обработку резанием, в частности из сплавов, которые не подвергаются этой обработке;
отливки характеризуются самой сложной конфигурацией;
масса отливок может быть от нескольких граммов до нескольких десятков килограммов, а стенки могут быть толщиной до 0,5 мм.
Технологический процесс изготовления отливок ведут в определенной последовательности.
Модели. Модели отливок и литниковых систем изготовляют в металлических пресс-формах. Размеры внутренней полости пресс- формы учитывают усадку модельного состава, металла отливки и расширение оболочки при прокаливании. Для изготовления моделей применяют легкоплавкую массу, состоящую из 50 % парафина и 50 % стеарина. Расплавление массы ведут на водяной бане.
Существует два способа заполнения пресс-форм: свободная заливка жидкого модельного состава (рис. 27, а) и запрессовка 78
модельного состава в пастообразном состоянии (рис. 27, б). При первом способе рабочую полость пресс-форм смазывают тонким слоем трансформаторного масла или раствором касторового масла в спирте (1:1). Затем пресс- форму собирают и заливают из ковша через воронку модельным составом при температуре 60—' 70 °C. Через 3—10 мин пресс-форму раскрывают и извлекают из нее затвердевшую модель. Так же изготовляют мо-
Рис. 27. Способы заполнения пресс-форм модельной массойРис. 27. Способы заполнения пресс-форм модельной массойдели элементов литниковой системы. При втором способе модельный состав, охлажденный до пастообразного состояния, запрессовывают в пресс-форму с помощью шприца. Через 2—3 мин затвердевшую модель удаляют из пресс-формы.
Рис. 27. Способы заполнения пресс-форм модельной массой
Рис. 27. Способы заполнения пресс-форм модельной массой
После снятия заусенцев модели отливок и элементов литниковой системы собирают в блоки — припаивают. Шпателем или ножом, нагретым до температуры 150 °C, подплавляют нижний торец стояка и центр коллектора, после чего их соединяют в месте пайки и выдерживают до полного затвердевания и упрочнения оплавленного слоя. Модели мелких отливок простой конфигурации собирают в блок-елку непосредственно на стояке (рис. 28, а). Модели, имеющие большие размеры по высоте, собирают в блоки на дисковом коллекторе (рис. 28, б). Модели массивных отливок, требующих дополнительного питания металлом в процессе затвердевания, монтируют в блоки с подводом металла сверху (рис. 28, в). Коллектор в этом случае выполняет роль прибыли.
Керамические оболочки. Процесс изготовления керамических оболочек включает следующие операции: приготовление связующего раствора и суспензии, формирование керамического покрытия на поверхности блока моделей, выплавление моделей, формовка керамической оболочки и прокаливание форм.
Для приготовления связующего раствора используют этилси- ликат (ЭТС), дистиллированную воду, ацетон или этиловый спирт, соляную кислоту. Этилсиликат относится к группе кремнийор- ганических соединений и представляет собой смесь эфиров кремни
евых кислот.
Марка этилсиликата характеризуется условным содержанием SiOa, которое может колебаться от 28 до 42 % по массе. Чем больше. в этилсиликате высокомолекулярных эфиров, тем выше со-
Рис. 28. Модельные блоки:
/ « литниковая воронка; 2 *— стояк; 3 ^ модель; 4 *— питатель; б ^ коллектор
держание SiO2. Наиболее часто используются ЭТС 32 и ЭТС 40. Чтобы получить связующий раствор, необходимо провести гидролиз этилсиликата. Образующиеся при этом нестойкие кремниевые кислоты переходят в коллоидное состояние, выделяется золь кремниевой кислоты, а затем и твердый гель, обладающий связывающими свойствами.
Одну из реакций гидролиза эфира ортокремниевой кислоты можно представить в следующем виде:
(C2HbO)4Si +4Н2О = 2H2OSiO2 + 4С2Н6ОН.
Так как этилсиликат не смешивается с водой, гидролиз проводят раствором дистиллированной воды в ацетоне или спирте, которые хорошо смешиваются как с этилсиликатом, так и с водой. В качестве катализатора используют соляную кислоту.
Расчет количества составляющих для получения связующих растворов ЭТС проводят по номограмме, приведенной на рис. 29. Исходными данными являются способ сушки и необходимая прочность оболочки, состав ЭТС, содержание SiO2, этоксильных групп С2Н6О и НО. Значение т — Н2О/(С2НБО) принимают в зависимости от способа сушки: при воздушно-аммиачной m = 0,254-0,35, во влажном воздухе т = 0,64-0,7, в сухом воздухе т « \.
При определении количества воды для получения связующего раствора из 1 кг ЭТС на оси абсцисс номограммы находят точку, соответствующую содержанию SiO2 в ЭТС, и от нее проводят вертикальную линию до пересечения с необходимой заштрихованной областью «Вода». Из этой точки проводят горизонталь до пересечения с левой вертикальной осью, на которой показано необходимое количество воды.
Рис. 29. Номограмма для определения количеств воды и ацетона, необходимых для гидролиза 1 кг этилсилнката
Для области «Вода I» характерна высокая прочность оболочек, высыхание которых происходит медленно, для их необратимого твердения необходимы влажные пары аммиака. Оболочки, соответствующие области «Вода II», необратимо твердеют при повышенной влажности воздуха (до 80 %), но прочность их ниже, чем оболочек области «Вода I». Оболочки области «Вода III» быстро сохнут и твердеют, однако они имеют примерно в 2 раза меньшую прочность по сравнению с оболочками области «Вода I».
Для определения ко
личества растворителя
из точки на оси абсцисс, соответствующей содержанию SiO2 в ЭТС, проводят вертикальную линию до пересечения с одной из линий «Ацетон для получения в растворе». Из этой точки проводят горизонталь до правой вертикальной оси, на которой обозначено необходимое количество ацетона.
Номограммой можно пользоваться, если вместо ацетона применять другой растворитель, например этиловый спирт, гидрозит или эфиральдегидную фракцию. При введении воды для гидролиза ЭТС нужно учитывать воду, содержащуюся в растворителе.
Количество соляной кислоты плотностью р = 1190 кг/м8 определяют аналогичным образом по линии «Соляная кислота»^
Гидролиз проводят в определенной последовательности. В стеклянную колбу вводят отмеренные количества воды, ацетона и соляной кислоты. При непрерывном перемешивании в колбу вливают этилсиликат. Реакция гидролиза идет с выделением теплоты. Температуру раствора контролируют ртутным термометром и записывают его показания через каждую минуту. Когда температура достигнет максимума и начнет снижаться, перемешивание пре-
вращают. Для приготовления суспензии в непрерывно перемешиваемый гидролизованный раствор вводят пылевидный кварц, предварительно прокаленный при 120- 140 °C и просеянный через сито 0063. После получения однородной массы перемешивание прекращают и суспензию выдерживают в течение нескольких минут до прекращения выделения пузырьков воздуха. На 1 % по массе связующего раствора берут 2,4—2,5 % по массе пылевидного
Рик. 36. Форма доя летья ио выплавляемым мо- кварца. Для ЭТС 40 делямэто соотношение при
нимается 1 : 3.
Для получения керамического покрытия блок моделей погружают в суспензию. После удаления из нее блок несколько раз поворачивают в различных направлениях для стекания излишков суспензии. Далее с помощью сита блок равномерно со всех сторон обсыпают сухим кварцевым песком, сушат в вытяжном шкафу при нормальной температуре. Продолжительность сушки должна быть не менее 4 ч. Во время сушки за счет коагуляции кремниевой кислоты, испарения ацетона и частично воды происходит необратимый процесс твердения и упрочнения покрытия,, Таким же образом наносят еще три слоя и получают керамическую оболочку. Сушку можно производить также сухим воздухом и в воздушно- аммиачной атмосфере.
Перед выплавлением модели напильником стачивают участок керамической оболочки с торцовой части литниковой воронки. Затем блок помещают в металлическую корзину и погружают в воду, нагретую до 90°С. Через 12—16 мин (после полного выплавления модели) керамическую оболочку вынимают из корзины и освобождают' от заполняющей ее воды.
Готовые керамические оболочки заформовывают в металлическую опоку (рис. 30). Свободное пространство между керамической оболочкой 2 и стенками опоки 3 заполняют- сухим кварцевым песком /. Ддя предотвращения попадания песка в полость керамической оболочки во время засыпки литниковую воронку накрывают крышкой.
Формы прокаливают в термической печи при 850—900 °C в течение 2—2,5 ч. При этом выгорают остатки модельной массы, удаляется влага, повышается газопроницаемость оболочки, снижается ее прочность, что уменьшает опасность возникновения внутренних напряжений и трещин в отливках. Сталь, никелевые и медные сплавы заливают в горячие формы, алюминиевые сплавы— в холодные.
Залитые формы охлаждают в течение 30—40 мин и извлекают из них блоки. Поверхность отливок очищают от остатков керамического покрытия. Отливки отрезают от литниковой системы с помощью механической пилы или ручной ножовки.
Оборудование, инструмент и материалы
Пресс-формы для изготовления моделей отливок и элементов литниковой системы, водяная баня для расплавления модельного состава, ковши, воронка для заливки модельного состава, шприц, термическая печь (до 1100 °C), сито 0063, ртутный термометр со стоградусной шкалой, опоки, профилометр, напильник, ножовка, молоток, клещи, шпатель, парафин, стеарин, трансформаторное или касторовое масло, ЭТС 32 или ЭТС 40, дистиллированная вода, ацетон или этиловый спирт, техническая соляная кислота, пылевидный кварц, кварцевый песок, жидкий металл, ковши, спецодежда.
Порядок проведения работы
Работа рассчитана на 8 ч.
Приготовить модельный состав.
Изготовить модели отливок и элементов литниковых систем в пресс-формах.
Собрать модельные блоки.
Приготовить связующий раствор и суспензию.
Нанести керамическое покрытие на поверхность модельных блоков.*
Выплавить модели из керамической оболочки.
Заформовать керамическую оболочку в опоку.
Прокалить литейную форму.
Залить форму сталью, чугуном или другим сплавом.
После охлаждения, выбивки и очистки блоков отрезать отливки от литниковой системы.
Оценить качество и шероховатость поверхности отливок.
Результаты наблюдений и их обработка
Результаты измерения шероховатости поверхности отливок внести в рабочий журнал. Провести статистическую обработку результатов измерения шероховатости. Найти доверительный интервал при вероятности 0,95.
Содержание отчета
Описание технологии изготовления отливок по выплавляемым моделям.
Эскизы пресс-форм, модельного блока и литейной формы.
Результаты определения шероховатости поверхности отливок и описание качества поверхности.
Контрольные вопросы
В чем заключается сущность способа литья по выплавляемым моделям?
Каковы преимущества, недостатки и область применения способа литья по выплавляемым моделям?
Какие исходные материалы применяют для изготовления моделей и оболочковых форм?
Как изготовляют модели и формы?
Каковы технологии изготовления гидролизованного раствора этилсили- ката и огнеупорной суспензии?
В каких режимах сушат оболочки?
С какой целью проводится термическая обработка оболочковых форм? 8. Как заливают формы?
Каковы финишные операции обработки отливок?
Работа 17
ЛИТЬЕ В ОБОЛОЧКОВЫЕ ФОРМЫ
Общие сведения
Оболочковые формы изготовляют следующим образом. На горячую металлическую подмодельную плиту с моделью насыпают песчано-смоляную смесь, под действием теплоты смола плавится и смесь плотно облегает модель и плиту. После небольшой выдержки образуется полутвердая оболочка. Излишек смеси ссыпают, а плиту и модель с оболочкой помещают в печь для окончательного твердения оболочки. После извлечения из печи оболочки-полуформы снимают' с модельной плиты и собирают. При необходимости в них устанавливают стержни, которые изготовляют аналогичным способом. Собранные оболочки помещают в опоки, пространство между стенками опоки и оболочки засыпают чугунной дробью или песком. После этого формы подают на заливку.
Литье в оболочковые песчано-смоляные формы имеет ряд преимуществ перед литьем в песчаные формы. Твердение смеси непосредственно на модели или в стержневом ящике обеспечивает высокую точность размеров форм и стержней. Применение мелкозернистых песков дает возможность получать формы с чистой и гладкой поверхностью. Изготовляемые отливки имеют 4—12-й класс точности размеров и масс по ГОСТ 26645—85 и шероховатость поверхности Rz = 40ч-20 мкм (ГОСТ 2789—73). Оболочковые формы и стержни не гигроскопичны, имеют высокую газопроницаемость и прочность на разрыв 1,5—4,5 МПа. Они начинают
разрушаться (гореть) только при нагреве выше 450 °C. Это обеспечивает минимальное количество дефектов в отливках вследствие засоров и разрушения форм. С другой стороны, выгорание смолы при более высоких температурах обеспечивает свободную усадку отливок и легкую выбивку их из форм. Расход формовочных смесей на оболочковые формы в 8—10 раз меньше, чем на песчаные. Технологический процесс легко поддается механизации и автоматизации.
Оболочковые песчано-смоляные формы нашли широкое применение — в них изготовляют сложные тонкостенные отливки из чугуна, стали, алюминиевых и магниевых сплавов массой до 100 кг, например коленчатые валы автомобильных двигателей из высокопрочного чугуна, чугунные ребристые цилиндры для мотоциклетных двигателей, различные сложные по конфигурации стальные отливки и др.
Формовочную смесь изготовляют из мелкозернистых кварцевых песков (1К016, 1К01, 2К016, 2К01). В качестве связующего используют пульвербакелит — порошкообразную фенолоформаль- дегидную смолу с добавкой 10—12 % технического уротропина (гексаметилентетрамина) для обеспечения твердения смолы. При нагреве пульвербакелит размягчается (60—70 °C), затем переходит в жидкое клейкое состояние (НО—130 °C). При дальнейшем нагреве (до 260 °C) смола необратимо затвердевает, приобретая высокую механическую прочность.
Сухой кварцевый песок и пульвербакелит при перемешивании расслаиваются, выделяют1 пыль, что не дает возможности получить качественную, однородную по составу формовочную смесь, в которой каждое зерно песка было бы покрыто равномерным слоем пульвербакелита. Поэтому применяют плакированные смеси, в которых каждое зерно песка покрыто тонкой пленкой смолы, прочно удерживающейся на его поверхности.
На практике используют холодное и горячее плакирование. Холодное плакирование можно осуществлять двумя способами. При первом способе в чашу работающих бегунов загружают песок и вводят 2—3 % по массе жидкой, хорошо смачивающей песок добавки, например, ацетона, фурфурола, этилового или изопропилового спирта. Как только добавка равномерно распределится в песке, в него вводят 3—7 % по массе пульвербакелита, который в течение 2—3 мин растворяется в жидкой добавке на поверхности зерен песка, обволакивая их тонкой пленкой. При дальнейшем перемешивании в течение 5—10 мин растворяющая добавка испаряется.
При втором способе 2 мае. ч. пульвербакелита растворяют в 1 мае. ч. ацетона или технического спирта. Полученный раствор вводят в песок, перемешиваемый в бегунах. Количество раствора определяется из расчета, что в готовой смеси должно быть 3— 7 % по массе смолы. При перемешивании в течение 2—3 мин раствор равномерно распределяется по поверхности зерен песка.
Рис. 31. Приспособление для изготовления оболочковых полуформ:
1 — подмодельная плита; 2 — модель; 3 — оболочковая полуформа; 4 ^ толкатель; б ■* бурт; 6 г— штырь; 7 »— плита; 8 •— пружина
В течение последующих 10—15 мин перемешивания растворитель испаряется и зерна плакируются пленкой смолы. Более длительное перемешивание не допускается, так как свойства смеси ухудшаются. Готовую смесь просеивают через сито 025.
При горячем плакировании пульвербакелит смешивают в бегунах в течение 2—3 мин с песком, подогретым до 130 °C. Смола плавится и растекается по поверхности зерен песка. Далее смесь перегружают в бегуны с водоохлаждаемым дном, в которых она перемешивается до полного затвердевания пленок смолы на поверхности зерен песка.
Для изготовления оболочковых полуформ применяют чугунные модельные плиты (рис. 31). В качестве разделительной смазки используют 4—5 %-ный раствор синтетического кремнийоргани- ческого термостойкого каучука (СКТ) в уайт-спирите (тяжелом бензине) или этилполисилоксане (силиконовая жидкость № 5) Температура разложения СКТ 300 °C, а силиконовой жидкости. 25°28Ь о^шзку наносят на поверхность моделей и плит, нагретых
Изготовление оболочковой полуформы с помощью опрокидывающегося бункера показано на рис. 32. В бункер 2 на 1/3 его вы-
Рис. 32. Изготовление оболочковой полуформы на установке с опрокидывающимся бункером
Рис. 33. Оболочковая формаРис. 33. Оболочковая формасоты насыпают песчано-смоляную смесь 3. На бункер устанавливают модельную плиту 1, нагретую до 270 °C, и закрепляют ее зажимами. После поворота бункера на 180 °C смесь насыпается на модельную плиту. Через 15—25 с выдержки на модели и модельной плите образуется размягченный слой смеси толщиной 6—■ 8 мм. Бункер возвращают в исходное положение. Оболочка 4 остается на плите, а излишняя смесь ссыпается в бункер. Затем модельную плиту с оболочкой отсоединяют от бункера, поворачивают ее на 180 °C и ставят в печь. Через 40—60 с выдержки в печи при 260—270 °C оболочка твердеет и упрочняется, приобретая при этом
Рис. 33. Оболочковая форма
Рис. 33. Оболочковая форма
темно-коричневый цвет. Плиту с оболочкой вынимают из печи и помещают в съемное приспособление (см. рис. 31). Специальный стол давит на плиту 7, толкатели 4, преодолевая сопротивление пружин 8, снимают оболочку 3 с модели 2.
Оболочковые стержни из песчано-смоляной смеси изготовляют по аналогичной технологии.
Сборку оболочковой формы (рис. 33) ведут в такой последовательности.В охлажденную оболочковую полуформу 2 устанавливают оболочковый стержень 3. В углубления 6 оболочки наносят тонкий слой клея толщиной 0,1—0,2 мм. По центрирующим выступам 8 и углублениям 5 накладывают вторую, горячую оболочковую полуформу 9, прижимают ее к первой полуформе и выдерживают в таком положении 5—10 с до затвердевания клея.
Полуформы склеивают клеем следующего состава, %: 40 мо- чевиноформальдегидной термореактивной смолы МФ-17, 58,5 пылевидного кварца и 1,5 хлористого аммония. Для его приготовления в полиэтиленовый стакан наливают смолу и при непрерывном перемешивании в нее высыпают сначала пылевидный кварц, а затем хлористый аммоний.
Склеенные оболочки устанавливают в опоки 7. Пространство 4 между стенкой опоки и склеенными оболочками заполняют чугунной дробью или песком. Для лучшего уплотнения во время засыпки по опоке слегка ударяют молотком. Литниковую воронку / при этом закрывают крышкой, чтобы исключить попадание дроби или песка в полость формы.
Формы заливают чугуном, сталью или другим сплавом. Охлажденные отливки удаляют из форм и освобождают от остатков перегоревшей оболочки. Чугунную дробь перед последующим использованием очищают отсеиванием использованного песка на
сите.
Оборудование, инструмент и материалы
Смешивающие бегуны, смешивающие бегуны с водоохлаждаемым дном, сито 025, чугунные подмодельные плиты с моделями и стержневые ящики, струбцины для скрепления стержневых ящиков, установка с опрокидывающимся бункером, муфельная печь с потенциометром для автоматического поддержания температуры, термометр со шкалой до 200 °C; приспособление для съема оболочковых полуформ с модельной плиты, опоки, кисть, пульверизатор, молоток, клещи, мелкозернистые формовочные пески (1К016, 1К01, 2К016, 2К01), пылевидный кварц, чугунная дробь, пульвербакелит, ацетон, фурфурол, этиловый и изопропиловый спирт, синтетический кремнийорганический термостойкий каучук CRT; уайт-спирит; этил полисилоксан, мочевиноформаль- дегидная смола МФ-17, хлористый аммоний, жидкий металл, спецодежда.
Порядок проведения работы
Работа рассчитана на 4 ч.
Подготовить модельные плиты и стержневые ящики.
Приготовить песчано-смоляную смесь.
Изготовить оболочковые полуформы и стержни.
Собрать формы и залить их чугуном, сталью или другим сплавом.
Выбить отливки из форм и очистить их поверхность от остатков использованного песка.
Оценить шероховатость поверхности отливок о помощью профилометра.
Результаты наблюдений и их обработка
Результаты измерения шероховатости поверхности отливок внести в рабочий журнал, провести их статистическую обработку. Найти доверительный интервал при вероятности 0,95.
Содержание отчета
Описание технологии изготовления отливок в оболочковых формах.
Эскизы моделей, модельных плит, стержневых ящиков, установки с опрокидывающимся бункером, стержней, форм и отливок.
Результаты определения шероховатости поверхности отливок и описание качества поверхности.
Контрольные вопросы
В чем сущность способа литья в оболочковые формы?
Каковы преимущества, недостатки н область применения способа литья в оболочковые формы?
Какие материалы используют при изготовлении форм?
Какими способами получают плакированный песок?
Какие превращения испытывает термореактивная фенолоформальдегид- ная смола при нагреве?
Какова последовательность технологических операций при изготовлении оболочковых форм и стержней?
Какое влияние оказывает тепловой режим модельной оснастки иа свойства оболочковых форм и стержней?
Каким образом производится сборка и заливка оболочковых форм металлом?
Работа 18
ИЗУЧЕНИЕ ВЛИЯНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ НАГРЕВА кокиля и ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ КРАСОК НА структуру отливок
Общие сведения
Кокиль — металлическая форма, которая заполняется расплавом под действием силы тяжести. В отличие от разовой песчаной формы кокиль может быть использован многократно. Кокили изготовляют из чугуна или стали, в некоторых случаях из цветных металлов и их сплавов. Большая теплоаккумулирующая способность металлических форм обусловливает значительно более высокую скорость охлаждения отливок по сравнению с песчаными. Поэтому кокильные отливки имеют большую плотность, более мелкозернистое строение и на 30—50 % более высокие механические свойства. Однако повышенная скорость охлаждения приводит к образованию отбеленного поверхностного слоя в отливках из чугуна.
Металлические формы позволяют получать отливки с лучшей чистотой поверхности и более высокой размерной точностью, что дает возможность на 40—50 % снизить припуск на механическую обработку по сравнению с отливками, полученными литьем в песчаные формы.
Для быстрого и беспрепятственного извлечения отливок из полости формы, кокили снабжают необходимым числом разъемов, которые чаще всего располагают в вертикальных плоскостях. Кокиль (рис. 34) обычно состоит из двух полуформ 4 и плиты 10. Полуформы центрируются штырями / и 7. Расплав заливают через стояк 6, а питание массивных узлов осуществляется из прибыли 5. Кокили раскрывают с помощью ручек 2 или специальных гидравлических, пневматических, механических приводов. Поворот полуформ вокруг оси 9 осуществляется с помощью кронштейна 8. Каналы 3 служат для вывода воздуха из полости кокиля.
Внутренние полости в отливках выполняют металлическими и песчаными стержнями. Металлические формы и стержни неподатливы. Вследствие торможения усадки металла формой и особенно стержнем в отливке возможно образование трещин, если растягивающие напряжения превысят предел прочности сплава при растяжении. Для предотвращения образования трещин
в отливке металлические стержни следует удалять из отливки, как только затвердеет наиболее массивная ее часть. С увеличением продолжительности выдержки стержня в отливке увеличивается силовое взаимодействие между отливкой и стержнем, в результате чего возрастает усилие обжатия
стержня.Усилие обжатия стержня отливкой, Н,стержня.Усилие обжатия стержня отливкой, Н,
стержня.
Усилие обжатия стержня отливкой, Н,
стержня.
Усилие обжатия стержня отливкой, Н,
М = р F
* УД1 пов»
где Руд — удельное усилие обжатия, действующее на поверхность стержня, Па; Рпов — площадь поверхности стержня, м2.
Удельное усилие обжати я стержня Руд зависит от многих факторов: толщины стенки отливки, начальной температуры поверхности стержня перед заливкой, разности температур поверхности стержня в момент извлечения и перед заливкой, температуры отливки, при которой извлекается стержень.
Усилие извлечения стержня из отливки пропорционально усилию обжатия. Наибольшее влияние на величину усилия извлечения стержня оказывают конусность стержня, температура отливки в момент извлечения и состав краски для покрытия поверхности стержня, определяющий значение коэффициента трения между отливкой и стержнем. Обычно для уменьшения усилия извлечения стержней из отливок их выполняют с конусностью 0,5—4,0°. Учесть влияние конусности (угла а) на усилие извлечения стержня можно, используя коэффициент ф, экспериментально определенный Н. П. Дубининым и В. А. Комиссаровым:
а, градусы0,51234
Ф 0,90,80,70,60,5
Для увеличения срока службы и снижения величины усадочных напряжений в отливках кокили перед заливкой различными сплавами нагревают до 250—400 °C. Перед этим на рабочие поверхности металлической формы наносят слой огнеупорного покрытия — облицовки или краски. Огнеупорное покрытие резко уменьшает теплоотвод и облегчает удаление отливки из формы. Этим широко пользуются для замедления кристаллизации металла в прибылях и узлах, оформляющих тонкие ребра. Составы облицовок и красок зависят от типа заливаемого металла (табл. 13), а толщина — от требуемой скорости охлаждения отливок: чем 90
Составы кокильных красок
Заливаемый металл
Состав краски, %
Теплопроводность, ВтДм-К)
Алюминиевые сплавы
15 порошка мела, 3 жидкого стекла, 82 воды
0,16
Магниевые сплавы
20 порошка мела, 5 прокаленного талька, 3 борной кислоты, 72 воды
12,4 прокаленного при 800 °C асбеста, 12,5 маршалита, 5 жидкого стекла, 0,1 марганцовисто-кислого калия, 75 воды
0,22
Чугуны, стали
0,23
Алюминиеные сплавы
20 коллоидного графита, 3 жидкого стекла, 77 воды (для окраски металлических стержней)
0,54
толще слой огнеупорного покрытия, тем медленнее охлаждаются отливки. Так, на стенки кокиля, оформляющие литниковые каналы и прибыли, наносят более толстый слой (до 1 мм), чтобы уменьшить интенсивность охлаждения расплава. Краску наносят пульверизатором. Перед нанесением красок кокиль нагревают газовыми горелками или электрическими нагревателями до 130 °C. Рабочая температура кокиля зависит от состава заливаемого сплава и толщины стенки отливки.
После заливки, когда отливка приобретает достаточную прочность, металлические стержни «подрывают», т. е. частично извлекают из отливки. Это делают для того, чтобы уменьшить обжатие стержня. Отливку извлекают из кокиля еще горячей при температуре, равной 0,6—0,8 температуры солидуса сплава, и охлаждают на воздухе или в специальных камерах.
Следует отметить, что при кокильном литье физико-химическое взаимодействие металла отливки и формы минимально. Это способствует повышению качества поверхности отливки. Шероховатость поверхности отливок определяется составом красок, наносимых на поверхности рабочей полости формы, и соответствует Rz = 504-150 мкм.
Кокиль практически газонепроницаем, но и газотворность его минимальна и определяется в основном составом огнеупорных покрытий. Для удаления газов из полости кокиля предусматриваются вентиляционные каналы по поверхностям разъема (см. рис. 34) или специальные вентиляционные пробки и венты.
Оборудование, инструмент и материалы
Индукционная печь для плавки чугуна или алюминиевого сплава, раздаточная печь с тиглем вместимостью 20—30 кг алюминиевого сплава, набор кокилей, форма для отбора проб чугуна на
Рис. 35. Кокиль для отбора проб чугуна на отбел: 1 — оболочковый стержень; 2 — металлическая плита; 3 — клии; 4 — струбцина
отбел (рис. 35), ручной пресс для определения усилия обжатия стержня отливкой, профилограф для определения шероховатости поверхности отливок, термопара и термощуп с милливольтметрами, набор инструмента для плавки, рафинирования и заливки расплава, электронагреватель для подогрева кокилей, шихтовые материалы для приготовления сплава АЛ2 и чугуна СЧ20, набор
красок, набор слесарного инструмента и шлифовальной бумаги для изготовления шлифов, травитель для выявления структуры алюминиевых сплавов, спецодежда.
Порядок проведения работы
Работа рассчитана на 4 ч.
Тщательно ознакомиться с устройством кокилей. Особое внимание обратить на механизм разъема формы, принцип действия выталкивателей, устройство вентиляционных каналов.
Произвести контрольную сборку и разборку кокилей в целях установления правильности и надежности взаимодействия их частей.
Подогреть кокили электронагревателем или газовой горелкой до температуры 130 °C и окрасить те участки формы, где требуется уменьшить теплоотвод.
Расплавить 10—15 кг сплава АЛ2 или чугуна СЧ20 и перелить его в раздаточную печь. Проверить газонасыщенность сплава отбором технологической пробы (см. работу 22). Если необходимо, осуществить рафинирование расплава (см. стр. 183). Довести температуру сплава АЛ2 до 750 °C, а чугуна до 1250 °C.
Установить влияние температуры формы на структуру отливок из алюминиевого сплава АЛ2 или чугуна СЧ20. Для этого залить кокиль, нагретый до 200, 300 и 400 °C, сплавом АЛ2, нагретым до 720 °C. Из чугуна залить пробы на отбел в формы с плитами, нагретыми до 200, 400 и 600 °C.
Извлечь отливки из кокилей, охладить их до нормальной температуры и разрезать по указанию преподавателя. Изготовить макрошлифы и оценить влияние температуры кокиля на структуру отливок из сплава АЛ2. Размер зерна отливки определить методом случайных секущих. Травление шлифов производить смесью азотной и соляной кислот (3 : 1) с добавкой 10 %-ного раствора хлорной меди. Определить оптимальный режим заливки.
Сломать чугунные пробы на отбел по пережиму, измерить протяженность зоны чистого отбела, отбела с переходной зоной и вычислить отбел.
Установить влияние составов красок на структуру и усилие извлечения стержня из отливки. Для этого рабочую поверхность металлических стержней, нагретых до 300 °C, покрасить различными красками (см. табл. 13), собрать кокили и залить сплавом АЛ2.
Извлечь отливки из форм вместе с металлическим стержнем, установить под пресс и зарегистрировать усилие извлечения (отрыва) стержня.
Рассчитать удельное усилие обжатия Руд стержня при различных покрытиях.
Измерить на профилографе шероховатость поверхности отливок, залитых при различных температурах формы и окрашенных различными составами.
Разрезать отливки по указанию преподавателя, изготовить макрошлифы, протравить их и оценить влияние составов красок на структуру отливок, определив средний размер зерна методом случайных секущих.
Результаты наблюдений и их обработка
Результаты определения среднего размера зерна, протяженности зоны отбела, усилий извлечения стержней и шероховатости поверхности отливок занести в таблицы.
По данным таблиц построить графические зависимости размеров зерен от температуры нагрева кокиля и составов красок. Провести графическую обработку результатов исследования шероховатости.
Температура кокиля, °CСредний размер зерна отливки, ммШероховатость поверхности отливки Rz, мкм200300400Температура кокиля, °CСредний размер зерна отливки, ммШероховатость поверхности отливки Rz, мкм200300400Температура плиты формы на отбел, °CПротяженность зоны отбела, мм200400600Температура плиты формы на отбел, °CПротяженность зоны отбела, мм200400600
Температура кокиля, °C
Средний размер зерна отливки, мм
Шероховатость поверхности отливки Rz, мкм
200
300
400
Температура кокиля, °C
Средний размер зерна отливки, мм
Шероховатость поверхности отливки Rz, мкм
200
300
400
Температура плиты формы на отбел, °C
Протяженность зоны отбела, мм
200
400
600
Температура плиты формы на отбел, °C
Протяженность зоны отбела, мм
200
400
600
Состав краски, %
Шероховатость поверхности отливин Rz, мкм
Усилие извлечения стержня, Н
Площадь поверхности стержни, м2
Удельное усилие извлечения стержни, Па
Средний размер зерна от- лнвкн, мм
Содержание отчета
Общие сведения о литье в кокиль.
Схемы и описание кокиля и формы для отбора проб на отбел.
Условия литья.
Таблицы с результатами исследований.
Графики.
Контрольные вопросы
В чем сущность способа литья в кокиль?
Как температуры подогрева кокиля и заливаемого в него металла влияют на структуру и свойства отливок?
Какое влияние оказывает состав и толщина теплоизоляцнониого покрытия кокиля на структуру и качество изготовляемых отливок?
Какие дефекты характерны для отливок, изготовленных н металлических формах?
В чем преимущества литья в кокиль по сравнению с литьем в песчаную форму?
Из каких соображений металлическую форму подогревают перед заливкой?
Какие технологические приемы уменьшают затрудненную усадку отливки при литье в кокиль?
Чем регулируют направленность затвердевания отливки в металлических формах?
Как поддерживается оптимальная температура кокиля?
Работа 19
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ МЕТАЛЛА И СКОРОСТИ ВРАЩЕНИЯ ФОРМЫ НА СТРУКТУРУ И КАЧЕСТВО ОТЛИВОК, ПОЛУЧЕННЫХ ЦЕНТРОБЕЖНЫМ ЛИТЬЕМ
О бщие сведения
При центробежном литье заполнение формы жидким металлом, его затвердевание и последующее частичное остывание происходит под действием центробежной силы. Такая сила возникает при вращении литейной формы вокруг горизонтальной, вертикальной или наклонной оси (рис. 36). Центр"массы отливки может находиться на оси вращения формы или в стороне от нее. Внутренняя поверхность отливки при центробежном литье в отдельных случаях формируется без непосредственного контакта с литейной формой и без стержней. Такую поверхность называют свободной.
В настоящее время центробежное литье широко применяют для изготовления отливок типа тел вращения (трубы, втулки, шестерни) из различных сплавов и фасонных отливок из титановых сплавов. Под действием центробежной силы жидкий металл прижимается к внутренней поверхности вращающейся формы, увлекается ею и в таком состоянии затвердевает. Центробежную силу Рд определяют по формуле
Рц = та?г.
Рнс. 36. Лабораторные усгавовки для центробежного литья:
а -- с горизонтальной осью вращения: / — желоб; 2 — зажимы; 3 — крышка; 4 - изложница; 5 — вал; 6 — шкив; 7 — двигатель; 8 — корпус установки; 5 — дверца; 10 —- тигель; б — с вертикальной осью вращения: / — изложница; 2 — зажимы; 3 — тигель с жидким сплавом; 4 — воронка; 5 — крышка; 6 — корпус; 7 — двигатель; 8 — шкив;
5 — клнноременная передача
где «г — масса отливки, кг; со — угловая скорость вращения формы, рад/с; г — расстояние центра массы рассматриваемого объема металла от оси вращения, м.
Центробежная сила направлена радиально от оси вращения. Ее действие на металл отливки эквивалентно действию гравитационной силы Ре. Отношение этих сил называют гравитационным коэффициентом
к = ^V^r = ma^r^mg) = ti?tjg,
где g—'ускорение свободного падения, м/с2.
Для различных условий литья к колеблется от 3,3 до 300.
Действие центробежной силы заметно улучшает заполнение формы жидким металлом, ускоряет седиментацию неметаллических включений, способствует направленному затвердеванию, устранению усадочной и газовой пористости в отливках, интенсифицирует теплообмен между отливкой и формой. Это благоприятствует получению тонкостенных отливок из сплавов с низкий жидкотекучестью, повышению плотности и чистоты металла по неметаллическим включениям, измельчению структуры и улучшению механических свойств.
При центробежном литье усиливается зональная ликвация (углерода, серы и фосфора в чугунных и стальных отливках, меди и свинца —- в свинцовой бронзе, кремния — в заэвтектиче- ском силумине), расплав глубже проникает в поры формы, на отливке формируется более развитый механический пригар и более вероятно образование горячих трещин.
Технология центробежного литья включает изготовление форм и их подготовку, заливку жидкого металла во вращающуюся форму, выдержку в ней отливки для затвердевания и охлаждения, ее удаление из остановившейся формы и последующую финишную обработку и контроль.
Рис. 37. Номограмма для определения частоты вращения центробежной машины
При центробежном литье применяют самые разнообразные литейные формы, но наиболее часто используют металлическую форму—изложницу. Ее предварительно подогревают до '—300 °C, затем на рабочую поверхность наносят слой смазки или огнеупорное покрытие, которые предотвращают приваривание отливки к форме, снижают скорость охлаждения отливки и повышают стойкость изложницы. Изменяя толщину покрытия, регулируют скорость охлаждения, снижают отбел чугунных отливок, предупреждают образование спаев, трещин. Покрытие может содержать модифицирующие и легирующие добавки. В этом случае оно служит также для регулирования структуры и состава поверхностных слоев отливки. Покрытиями служат краски, облицовки или сыпучие материалы. Последние применяют при изготовлении цилиндрических отливок (труб, втулок, гильз и т. п.) в формах, вращающихся вокруг горизонтальной оси, совпадающей с осью отливки (см. рис. 36, а). Сыпучие покрытия наносят на форму во время вращения. Мелкодисперсный материал покрытия удерживается на поверхности формы центробежной силой.
Затем во вращающуюся форму через специальный желоб заливают жидкий металл. После затвердевания и частичного остывания отливки вращение формы прекращают, горячую отливку извлекают из формы и в дальнейшем ее охлаждают на воздухе или в охладительной камере.
При изготовлении отливок из сплавов цветных металлов в целях измельчения структуры и повышения их механических свойств металлические формы подвергают интенсивному охлаждению водой.
При центробежном литье важным параметром управления технологическим процессом является частота вращения формы. При
литье в формы с горизонтальной осью вращения нижний предел скорости вращения определяют из условия отсутствия дождевания. В этом случае гравитационный коэффициент равен или больше единицы, т. е. ш2г ^> g.
Минимальная частота вращения формы, с"1,
^mln ^ ~ V В!^0’
где г0 — радиус внутренней поверхности отливки, м.
Оптимальную частоту вращения для каждой конкретной отливки определяют по эмпирическим формулам или номограмме (рис. 37), позволяющей установить частоту вращения формы при изготовлении отливки заданного диаметра в зависимости от величины гравитационного коэффициента. Наиболее известна формула Л. С. Константинова
п = 5520/У ррг0,
где Рр — плотность расплава, кг/м3.
Используют1 также формулу
п = 300 V ^Ао»
где k — гравитационный коэффициент.
При литье в формы с вертикальной осью вращения частоту вращения определяют из условия получения допустимой разно- стенности по высоте отливки, так как свободная поверхность в этом случае представляет собой параболоид вращения
z = to2r2/(2g).
где г — координата по оси вращения, м.
Для получения цилиндрической отливки высотой h с радиусами внутренней поверхности гв и гн соответственно в верхнем и нижнем сечениях требуемая частота вращения, обеспечивающая необходимую геометрию отливки, определяется из выражения
/г = со2 (Гв — Гн}/(2^).*
Учитывая, что ю = 2лм/60, находим
т V Л УДг(2гв-Дг) ’
где Аг — разностенность по высоте отливки, м.
Для получения качественной отливки на ее свободной поверхности необходимо обеспечить такое давление на расплав, которое было бы эквивалентно давлению, оказываемому расплавом плотностью 20 000—30 000 кг/м3. Эффективная плотность рц при центробежном литье пропорциональна плотности расплава и гравитационному коэффициенту: рц = рр^, следовательно, оптимальная частота вращения формы
9797п = ЗООК^До = 300 VРц/(Ррг0) = (4230 -у 519О)/]/ррго.
97
97
4 П/р А. В. Курдюмова
Эта частота почти совпадает с той, которую определяли по формуле Л. С. Константинова (для расчетов выбирают наибольшее значение).
При изготовлении тонкостенных отливок частоту вращения формы в процессе заливки принимают постоянной. При изготовлении толстостенных отливок, когда возможно образование трещин на их наружной поверхности под действием излишне большой центробежной силы, частоту вращения формы в процессе заливки изменяют. Вначале заливку ведут при минимально возможной частоте, а по мере роста толщины твердого слоя на поверхности отливки ее увеличивают до максимума.
Оборудование, инструмент и материалы
Печь для плавки алюминиевых сплавов, установка для центробежного литья (см. рис. 36, а), механическая пила, хромель- алюмелевая термопара, гальванометр, набор слесарного инструмента, набор инструментов для плавки, рафинирования, модифицирования и заливки расплава, шихтовые материалы для получения сплава АЛ2, цинк, краска меловая, набор материалов для изготовления макрошлифов, травители, рукавицы, спецодежда, защитные очки.
Порядок проведения работы
Работа рассчитана на 4 ч.
Ознакомиться с устройством установки для центробежного литья и инструкцией по ее эксплуатации. Особое внимание обратить на крепление крышки к корпусу изложницы.
Проверить направление вращения формы. Форма должна вращаться против часовой стрелки, если для ее крепления на валу машины использована правая резьба.
Произвести контрольную сборку формы с целью установления надежности крепления и взаимодействия всех ее частей.
Подогреть до 130 °C и окрасить форму и заливочный желоб меловой краской.
Собрать форму под заливку. Установить желоб в гнездо дверцы.
Рассчитать минимально допустимую частоту вращения формы. Установить ремень в соответствующее положение на шкивах.
Расплавить сплав АЛ2 и цинк. Довести температуру расплавов до заданной.
Включить установку и отлить восемь втулок (внешний диаметр 80 мм, длина 150 мм, толщина стенки 10—15 мм) по режимам, приведенным в табл. 14.
Чтобы исключить выброс избытка металла из вращающейся формы, заливку необходимо производить из тигля определенной емкости. Вращение формы прекратить через 2—3 мин после заливки.
Режимы валивки
Таблица 14
Частота вращения формы, мив~*
Температура, °C
сплава АЛ2
цинка
Минимальная
680
450
1200
680
450
1200
750
500
1200
820
550
Разрезать втулки и сравнить их качество.
Изготовить продольные и поперечные макрошлифы и исследовать макроструктуру отливок. Травление шлифов рекомендуется проводить раствором Келлера (для АЛЗ) и 10 %-ным раствором соляной кислоты (для цинка).
Разметить на шлифах три равные по площади зоны: наружную, среднюю и внутреннюю. Используя лупу, подсчитать число макрозерен и включений в каждой из трех зон.
Оценить влияние частоты вращения и температуры заливки на структуру отливок.
Результаты наблюдений и их обработка
Результаты измерений внести в таблицу.
Провести графическую обработку результатов исследования. По данным таблицы построить графические зависимости числа зерен от частоты вращения и температуры заливаемого металла.
Частота вращения формы, МИН“*
Температура металла, ®С
Число вереи, шт/см1, в зоне *
наружной
внутренней
средней
Минимальная
680
1200
680
1200
750
Содержание отчета
Общие сведения о центробежном литье.
Схема и описание установки.
Условия заливки.
Графики.
4*99
Контрольные вопросы
>1. В чем сущность центробежного литья?
В чем особенность заполнения вращающейся формы?
Как ведут себя неметаллические включения при центробежном литье?
Каковы условия получения плотных отливок при центробежном литье?
Каковы условия теплообмена между отливкой и формой при центробежном литье по сравнению с литьем в стационарные формы? Как они создаются?
Почему при центробежном литье в отливках формируется более мелко- вериистая структура?
Почему при центробежном литье усиливается ликвация элементов?
Чем обусловлено формирование развитого механического пригара и по- дутости при центробежном литье в песчаные формы?
Почему при центробежном литье более вероятно образование горячих трещин?
Зачем на изложницы наносят покрытия?
Какие покрытия применяют для изложниц, как их наносят?
Чем обусловлена критическая частота вращения формы вокруг гори- воитальиой оси?
Какие факторы определяют частоту вращения формы вокруг вертикальной оси?
РАЗДЕЛ 11
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЛИТЕЙНЫХ ПРОЦЕССОВ
ГЛАВА 4. ПЛОТНОСТЬ И ЛИТЕЙНЫЕ СВОЙСТВА
СПЛАВОВ
Работа 20
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПЛОТНОСТИ
МЕТАЛЛИЧЕСКИХ РАСПЛАВОВ
Общие сведения
Плотность металлических расплавов, определяемая массой единицы объема, необходима для вычисления массы расплава в плавильной печи, тигле или литейной форме.
С повышением температуры плотность всех металлов в твердом состоянии уменьшается. У большей части металлов нагрев от нормальной температуры до температуры плавления вызывает уменьшение плотности на 3—5 %. Переход металла в жидкое состояние в большинстве случаев сопровождается увеличением объема и соответствующим уменьшением плотности, а у таких материалов, как висмут, сурьма, германий и кремний, наблюдается обратное изменение плотности при плавлении.
Повышение температуры жидкого металла вызывает дальнейшее уменьшение плотности. Зависимость плотности металлов от температуры приведена на рис. 38.
Сплавление металлов всегда сопряжено с изменением объема. Как правило, отмечается уменьшение объема сплава по сравнению с суммарным объемом чистых компонентов. Однако при технических расчетах этим можно пренебречь и плотность сплава рспл можно определять по правилу аддитивности (по значениям плотности исходных компонентов с учетом их содержания в сплава): Ю0/рспл = хА/рА + Хв1рв + ... + xt/pb где хА, хв, .... х, — содержание компонентов А, В, .... i в сплаве; рА, рв, .... р, — плотность компонентов А, В, .... I сплава при заданной температуре.
Изменение плотности металлического расплава до и в процессе кристаллизации предопределяет объемную усадку в виде усадочной раковины и пористости в теле отливки.
Известно несколько методов определения плотности жидких металлов. Одним из наиболее распространенных методов определения плотности низкотемпературных металлов (свинец, олово, сурьма, цинк и др.) является метод гидростатического взвешивания, основанный на законе Архимеда. Груз известных массы и объема опускают на нити в расплав, плотность которого необходимо определить. На этот груз действуют сила тяжести и выталкивающая сила, которая непосредственно связана с плотностью
ТемператураТемператураРис. 38. Влияние температуры на плотность металлов, увеличивающих (/) н уменьшающих (2) объем прн плавленииРис. 38. Влияние температуры на плотность металлов, увеличивающих (/) н уменьшающих (2) объем прн плавленииРис. 39. Схема механотронного преобразователя усилийРис. 39. Схема механотронного преобразователя усилий
Температура
Температура
Рис. 38. Влияние температуры на плотность металлов, увеличивающих (/) н уменьшающих (2) объем прн плавлении
Рис. 38. Влияние температуры на плотность металлов, увеличивающих (/) н уменьшающих (2) объем прн плавлении
Рис. 39. Схема механотронного преобразователя усилий
Рис. 39. Схема механотронного преобразователя усилий
жидкости. Чем больше плотность жидкости, тем больше выталкивающая сила. Следовательно, по массе и объему груза, опущенного в жидкость, можно определить плотность жидкости. Груз взвешивают на воздухе, а затем в исследуемом расплаве. Зная объем груза, рассчитывают плотность расплава по формуле
Рж = (Ci - С2)/У,
где Gi и G2 — масса груза на воздухе и в расплаве соответственно, г; V — объем груза, см3, при температуре расплава.
Груз изготовляют из материала, не растворяющегося в исследуемом расплаве и имеющего плотность больше, чем исследуемый расплав. В данной работе используется груз из рения, его объем при нормальной температуре известен. Объем при температуре расплава рассчитывают по уравнению
У = Ун 11 + р (* —20°С)],
где Ун — объем груза при нормальной температуре, см3; р — коэффициент объемного расширения груза из рения, равный 0,135-10~4 см3/°С; t— температура расплава, °C.
Результаты взвешивания несколько искажаются из-за смачивания выступающей из расплава нити и налипания на нее оксидной плены. Для устранения смачивания нити и налипания оксидов необходимо периодически заглублять груз в расплав. Для регистрации изменения массы используют механотронный датчик с электроблоком отсчетно-измерительной системы и электронным потенциометром.
В качестве преобразователя силы (веса) в электрический сигнал используется механотрон. Механотрон — это электронная лампа, анодный ток которой непосредственно управляет механическим перемещением ее электродов.
Наиболее распространенной кинематической системой механотронного преобразователя усилий является система мембрана — стержень (рис. 39). Входной механический сигнал (сила Г) подается на внешний конец стержня /, впаянного в мембрану 2, являющуюся частью герметичной оболочки 3 механотрона. При 102
этом подвижный электрод — анод 4, укрепленный на внутреннем конце стержня, перемещается относительно неподвижного катода 5, что приводит к изменению анодного тока и выходного сигнала преобразователя.
Для регистрации массы на потенциометре необходимо провести градуировку шкалы потенциометра в миллиграммах. Для этого на конец стержня механотрона подвешивают гири и записывают показания потенциометра в милливольтах. По результатам строят градуировочную кривую в координатах граммы — милливольты.
Оборудование, инструмент и материалы
Лабораторная установка, графитошамотный тигель марки 05, графитовая изложница, набор инструментов для плавки и разливки металла, металлы и сплавы, плотность которых необходимо определить, спецодежда и защитные очки.
Лабораторная установка состоит: из печи сопротивления с хромель-алюмелевой термопарой и пирометрическим милливольтметром, механотрона, на стержне которого подвешена молибденовая проволока с рениевым грузом, механизма погружения, позволяющего опускать груз в расплав, и отсчетно-измерительной системы с электронным потенциометром.
Порядок проведения работы
Работа рассчитана на 2 ч.
Провести градуировку шкалы электронного потенциометра. Для этого на стержень механотрона последовательно подвесить гири массой от 1 до 5 г и записать в рабочий журнал соответствующие показания электронного потенциометра в милливольтах. Для каждой гири произвести по три—пять определений.
Построить градуировочную кривую в координатах граммы— милливольты.
Определить на воздухе массу рениевого груза вместе с молибденовой нитью, на которой он подвешен. Для этого груз подвесить на стержень механотрона и записать показания электронного потенциометра в милливольтах. Повторить определение пять—семь раз. С помощью градуировочной кривой определить массу груза для каждого значения в милливольтах. Результаты опытов внести в рабочий журнал.
Загрузить навеску исследуемого металла или сплава (250— 300 г) в графитошамотный тигель. Установить тигель в печь и включить ее на нагрев.
Расплавить навеску металла и перегреть расплав на 20— 30 °C выше температуры ликвидуса. Удалить шлак с поверхности расплава.
Опустить в расплав с помощью механизма погружения рениевый груз на глубину 10—20 мм ниже зеркала расплава и выдержать его в течение 5 мин при заданной температуре.
Определить по показаниям потенциометра и градуировочной кривой массу груза в расплаве при заданных температурах. Для каждой температуры массу груза определить пять—семь раз. Результаты опытов внести в рабочий журнал. Повышение температуры расплава проводить со скоростью 2—3°С/мин.
Результаты наблюдений и их обработка
Провести статистическую обработку результатов опытов по определению массы груза на воздухе и в расплаве. Найти доверительный интервал при вероятности 0,95. Построить графическую зависимость плотности расплава от температуры. Результаты градуировки механотрона внести в таблицу.
Показания приборов и результаты определения плотности, вычисленные по формуле, внести в таблицу.
Экстраполируя прямую изменения плотности от температуры, определить плотность жидкого металла при температуре плавления и сравнить ее со справочными данными.
Нагрузка на стержень механотрона, г
1.0
2,0
3,0
4.0
5.0
Показания потенциометра, мВ
Температура расплава. °C
Показания потенциометра, мВ
Масса груза, г
Масса расплава, вытесненная грузом, г
Плотность расплава, г/см8
на воздухе
в расплаве
Содержание отчета
Краткие сведения о методике проведения работы.
3.4.5.3.4.5.Схема механотрона.
3.
4.
5.
3.
4.
5.
Таблицы. Графики. Выводы.
Контрольные вопросы
Каковы устройство и принципы действия механотронного датчика?
Какой физический закон лежит в основе метода измерения плотности гидростатическим взвешиванием?
Почему плотность груза должна быть больше плотности расплава?
Как учесть изменение объема груза при нагреве?
Какова точность измерения плотности этим методом?
Какие физические параметры необходимо знать для определения плотности методом гидростатического взвешивания?
Как изменяется плотность расплава с повышением его температуры?
Как устранить погрешность в процессе взвешивания из-за смачивания нити и налипания на нее оксидов?
Работа 21
ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ ПЕРЕГРЕВА И СОСТАВА СПЛАВА НА ЖИДКОТЕКУЧЕСТЬ
Общие сведения
Качество отливки, ее годность оценивают по многим признакам. Обязательным из них является соответствие по геометрии. Для обеспечения этого соответствия необходимо, чтобы жидкий металл, заливаемый в литейную форму, заполнил все ее полости. Только при этом условии отливка полностью и точно будет воспроизводить внутренние очертания формы.
Расплавы металлов и сплавов являются типичными ньютоновскими жидкостями. В каналах литниковых систем расплавы текут как в трубопроводах, а в полостях литейных форм могут получить развитие также течение открытой струей и напорное течение в открытых каналах (руслах). Поэтому многие параметры заполнения литейной формы можно установить по законам гидравлики. Используя уравнение Д. Бернулли, например, при известных размерах элементов литниковой системы, определяют продолжительность заполнения (заливки). Или, наоборот, по заданным металлостатическому напору и продолжительности заполнения находят скорость течения металла в полостях литейной формы и площади сечений элементов литниковой системы.
Однако заполнение литейной формы не является чисто гидравлическим процессом. Течение металла в форме всегда сопровождается его остыванием. При температуре ниже температуры ликвидуса в расплаве образуются кристаллы. По мере накопления твердой фазы скорость течения уменьшается, затем течение прекращается. Следовательно, возможность заполнения литейной формы ограничена временем, в течение которого расплав, находясь в жидком и жидкотвердом состояниях, сохраняет способность течь. Это время для одного и того же сплава при одинаковых гидравлических условиях заполнения определяется тепловыми условиями — начальными температурами жидкого металла и литейной формы, их теплофизическими свойствами, особенностями передачи теплоты через границу раздела металл—форма и теплоизлучением в полости литейной формы. Его можно приближенно рассчитать по теплофизическим законам.
Вместе с тем разные сплавы при сравнимых тепловых и одинаковых гидравлических условиях обладают разной способностью течь и заполнять литейную форму. Это обусловлено прежде всего особенностями их кристаллизации. Сплавы с большим интервалом
кристаллизации затвердевают с образованием разветвленных дендритов. Последние растут перпендикулярно поверхности охлаждения, т. е. поперек сечения заполняемого канала. При этом его «живое» сечение уменьшается и течение металла затрудняется. Поэтому такие сплавы заполняют форму хуже, чем чистые металлы и сплавы (эвтектические и химические соединения), которые кристаллизуются при постоянной температуре с образованием кристаллов компактной формы.
Кроме заполнения формы важным является точность воспроизведения отливкой рельефа поверхности формы. В этом велика роль капиллярных сил. Обычно литейная форма не смачивается жидким металлом, поэтому капиллярные силы препятствуют воспроизведению тонкого рельефа. Чем больше поверхностное натяжение расплава и краевой угол смачивания поверхности литейной формы и чем меньше размеры выступов и впадин на поверхности, тем труднее обеспечить точное воспроизведение отливкой рельефа формы. Этому также препятствуют оксидные плены, образующиеся на поверхности расплавов. Способность сплава воспроизводить рельеф поверхности формы называют формозаполняе- мостью.
Таким образом, заполнение жидким металлом полости литейной формы является сложным процессом. На полноту заполнения литейной формы влияют три группы факторов. К первой группе относят свойства сплава: поверхностное натяжение, теплопроводность, теплоемкость, теплоту и интервал кристаллизации, склонность к поверхностному окислению и др. Вторую группу факторов составляют свойства литейной формы: теплоаккумулирующая способность, газопроницаемость, шероховатость поверхности и др. К третьей группе относятся условия заливки: металлостатический напор, избыточное внешнее давление на расплав, перегрев расплава, температура литейной формы и др. Если стабилизировать вторую и третью группы факторов, то полнота заполнения литейной формы целиком зависит от свойств сплава. Способность последнего заполнять литейную форму называют жидкотекучестью.
Жидкотекучесть определяют экспериментально по специальным технологическим пробам, которые получают при одинаковых условиях заливки.
Различают истинную, условно-истинную и практическую жидкотекучесть.
Истинная жидкотекучесть сплавов определяется при их одинаковом перегреве выше температуры нулевой жидкотекучести, при которой сплав теряет подвижность. Нулевая жидкотекучесть наступает при температуре, лежащей между ликвидусом и солидусом сплава, при определенном количестве твердой фазы. Эту температуру определить трудно, поэтому определяют не истинную, а условно-истинную жидкотекучесть при одинаковом перегреве сплавов выше температуры ликвидуса.
Рис. 40. Модель для получения спиральной пробы на жидкотекучестьРис. 40. Модель для получения спиральной пробы на жидкотекучестьРис. 41. Вид на разъем кокиля для получения U-образной пробы на жидкотекучестьРис. 41. Вид на разъем кокиля для получения U-образной пробы на жидкотекучесть
Рис. 40. Модель для получения спиральной пробы на жидкотекучесть
Рис. 40. Модель для получения спиральной пробы на жидкотекучесть
Рис. 41. Вид на разъем кокиля для получения U-образной пробы на жидкотекучесть
Рис. 41. Вид на разъем кокиля для получения U-образной пробы на жидкотекучесть
Под практической понимают жидкотекучесть сплавов при постоянной температуре заливки. В этом случае перегрев над температурой ликвидуса для различных сплавов неодинаков.
Для оценки жидкотекучести применяют пробы постоянного и переменного сечений. К пробам постоянного сечения относятся прутковая, спиральная, U-образная и лабиринтная. Переменное сечение имеют клиновая и шариковая пробы. С помощью проб постоянного сечения оценивают способность сплава заполнять протяженные полости форм (жидкотекучесть), а с помощью шариковых и клиновых проб — способность сплава заполнить тонкие каналы и полости в форме (формозаполняемость).
Для определения жидкотекучести с помощью проб постоянного сечения длину и площадь сечения полости формы устанавливают такими, чтобы металл к моменту остановки не заполнил всю полость до конца. Мерой жидкотекучести при использовании этих проб является длина полученного прутка в выбранных условиях заливки и охлаждения. С помощью проб постоянного сечения выявляют связь жидкотекучести сплава с его положением на диаграмме состояния. Жидкотекучесть в большинстве случаев увеличивается с уменьшением интервала кристаллизации, хотя строго прямая пропорциональная зависимость отсутствует.
Наиболее широко применяют спиральные пробы (рис. 40). Модели этой пробы и литниковой системы для нее должны соответствовать ГОСТ 16438—70. Спиральный канал имеет трапециевидное сечение. Под заливку форму устанавливают строго
107
Рнс. 42. Металлическая форма для получения шариковой пробы иа жидкотекучесть
горизонтально по уровню. В нижней полуформе располагают спиральные каналы пробы и металлоприемник, в верхней — литниковую чашу и стояк. Для обеспечения одинакового металлостатического напора стояк предварительно перекрывают пробкой, которую удаляют после наполнения чаши металлом. Для упрощения замеров в спиральных каналах выполняют углубления через каждые 50 мм. Они воспроизводятся на пробе в виде выступов. По этим выступам определяют длину спирали.
U-образную пробу получают в металлической форме с вертикальным разъемом (рис. 41). Мерой жидкотекучести является длина прутка, полученного в калиброванном вертикальном канале 0 6 мм.
Шариковую пробу А. Г. Спасского можно получать как в песчаной, так и в металлической форме (рис. 42). Металлическая форма имеет вертикальный разъем и состоит из двух половин и клиновой вставки 2, соприкасающейся с шариком / диаметром 20 мм, укрепленным в одной из половин формы. Мерой жидкотекучести металла в данной пробе является площадь или средний диаметр отверстия, образованного около точки соприкосновения шарика с клиновой вставкой. Чем меньше площадь этого отверстия или его средний диаметр, тем более тонкостенную отливку может заполнить сплав в аналогичных условиях литья.
На жидкотекучесть, определяемую по шариковой пробе, влияет поверхностное натяжение расплава. Чем оно больше, тем меньше жидкотекучесть.
Оборудование, инструмент и материалы
Печь для плавки алюминиевых сплавов, весы технические с разновесами, потенциометр для измерения и записи термо-ЭДС; модели спиральной пробы и литниковой системы для нее, опоки и формовочная смесь, кокили для получения U-образной и шариковой проб, хромель-алюмелевая термопара, графитошамотные тигли, плавильный инструмент и приспособления для разливки металла, формовочный инструмент, штангенциркуль, линейка и спецодежда.
Порядок проведения работы
Работа рассчитана на 4 ч.
Рассчитать шихту для получения сплава. Количество и состав сплава, а также исходные материалы задает преподаватель. Каждая бригада получает индивидуальное задание.
По диаграмме состояния алюминий — кремний или алюминий — медь определить температуру ликвидуса сплава.
Взвесить шихтовые материалы и приготовить в плавильной печи алюминиевый расплав заданного состава. Перегреть его на 30, 80 и 130 °C выше температуры ликвидуса.
Изготовить по три формы для получения спиральной пробы для каждой температуры перегрева.
Залить приготовленный металл в формы при заданных температурах перегрева. При этом допускается отклонение не более чем на 10 °C.
Спустя 10 мин после заливки извлечь пробы из форм, охладить их на воздухе и замерить длину спиралей (по выступам) с точностью до 10 мм.
При различии длин спиралей более чем на 15 % опыт необходимо повторить.
Результаты наблюдений и их обработка
Полученные результаты занести в таблицу.
Провести статистическую обработку результатов измерений жидкотекучести. Вычислить доверительный интервал при вероятности 0,95. Найти относительную погрешность определения жидкотекучести.
Состав сплава, %
Температура, °C
Жидкот екучесть, мм
ликвидуса
перегрева иад ликвидусом
валнваемого металла
30
80
130
Результаты определения жидкотекучести сплавов различных составов исследуемой системы (взять данные других бригад) обобщить и установить ее зависимость от положения сплава на диаграмме состояния.
По экспериментальным данным построить графические зависимости жидкотекучести от температуры заливки и состава сплава.
Содержание отчета
Краткое изложение теории.
Методика определения жидкотекучести.
Результаты работы в виде таблицы.
Графики.
Выводы.
Контрольные вопросы
Какие свойства сплава влияют на ваполнение форм?
Какую особенность вносит процесс крнсталлнзации сплава в ваполнеине литейных форм?
Перечислите свойства литейной формы, которые влияют иа ваполненне ее расплавом.
Какие пробы применяют для оценки жидкотекучести сплавов?
Какова связь жидкотекучести сплавов с их положением на диаграмме состояния? Какова природа этой связи?
Как увеличить жидкотекучесть расплава?
Работа 22
ВЛИЯНИЕ ВЛАЖНОСТИ АТМОСФЕРЫ НА ГАЗОНАСЫЩЕННОСТЬ АЛЮМИНИЕВЫХ РАСПЛАВОВ
Общие сведения
При плавке металла и заливке литейных форм металлические расплавы активно взаимодействуют с газами окружающей среды. Характер взаимодействия зависит от свойств металлов и газов, а также внешних условий (температуры, давления). Чаще всего при плавке и литье имеет место взаимодействие расплавов с кислородом и водородом. При этом может образоваться раствор газа в металле или нерастворимое химическое соединение (оксид, гидрид). Основными источниками водорода и кислорода в атмосфере плавильных печей являются пары воды и воздух. С жидкими медью, алюминием, магнием и железом водород образует растворы, причем растворимость водорода в них увеличивается с повышением температуры. В жидких титане, ванадие, молибдене и других металлах IV—VI групп периодической системы элементов Д. И. Менделеева водород также растворяется, но его растворимость снижается при повышении температуры. С цинком, свинцом, оловом, кадмием водород практически не взаимодействует.
С большей частью чистых металлов (алюминий, магний, олово, свинец и др.) кислород образует прочные химические соединения — оксиды. Медь, никель, железо, серебро, титан, молибден, вольфрам и другие металлы в жидком состоянии растворяют кислород в значительных количествах. При кристаллизации таких расплавов образуются твердые растворы, эвтектики или имеют место перитектические превращения. Золото и,платина в обычных условиях плавки не взаимодействуют с кислородом.
Итак, в результате взаимодействия с газами расплавы обогащаются неметаллическими включениями, увеличивается содержание газов в растворах. При понижении температуры растворимость газов в большой группе металлов уменьшается, наступает перенасыщение и они выделяются в самостоятельную фазу, образуя пузырьки. Особенно интенсивно этот процесс идет в период кристаллизации. Пузырьки газа в этот период могут захватываться ветвями растущих дендритов и вызывать образование газовой пористости в отливках.
При контакте металлических расплавов с водой возможны два типа реакций:
Me 4- Н2О 2^2 Me 4- 2 [Н]ме 4- [О]ме
или н2о :£ 2 [Н]Ме 4- [О]Ме;
Me 4- Н2О ^ МеО 4- 2 [Н1Ме.
Суть реакций заключается в восстановлении водорода из его оксида Н2О. Различие между первой и второй реакцией состоит в том, что в первом случае кислород и водород растворяются в расплаве, а во втором — растворяется только водород, кислород же переходит в оксид металла, нерастворимый в расплаве. По первому типу с водой взаимодействуют Ag, Си, Ni, Fe, Ti, по второму — Mg, Al, Zn, Pb, Cd, Bi, Sn, а также все сплавы на основе этих металлов.
Если рассматривать взаимодействие металла только с газообразным водородом, то зависимость содержания этого газа в растворе [Н1ме от давления Рн, и температуры Т выражается уравнением
[Н]ме = 60 р^ exp [-AH/(PT)J,
где к0 — коэффициент пропорциональности; Д/7 — энтальпия образования 1 моля раствора водорода в металле (теплота растворения водорода в металле); R — газовая постоянная.
Эта зависимость справедлива для твердого и жидкого металлов. Отличие состоит в различных значениях коэффициента пропорциональности и теплоты растворения. В железе, никеле, меди, алюминии, магнии водород растворяется с поглощением теплоты, и энтальпия растворения имеет положительный знак. В этом случае из приведенной формулы следует, что при постоянном давлении растворимость водорода с ростом температуры увели-
чивается, а с понижением температуры уменьшается. Растворимость водорода в жидком металле значительно больше, чем в твердом. Она изменяется скачкообразно при температуре плавления металла.
В случае постоянства температуры рассматриваемая зависимость переходит в закон Сивертса
[Н]ме = к VРн,1
где к — коэффициент пропорциональности.
Поскольку растворимость пропорциональна ]/ Рн,, а не просто Рн,, можно утверждать, что водород растворяется в металлах в атомарном, а не в молекулярном состоянии.
Содержание (концентрацию) водорода можно выражать в процентах по массе, в атомных процентах, а также объемом водорода, растворенного в 100 г металла. В последнем случае все количество растворенного водорода условно считают выделенным из раствора и находящимся в молекулярном состоянии при нормальных условиях (Рн, = 0,1 МПа, Т = 273 К). Например, если [Н ]Ме = 10“3 % по массе, то это означает, что в 100 г металла содержится 10~3 100/100 = 0,001 г водорода. Известно, что в нормальных условиях 1 моль газа занимает объем 22 400 см3. Масса 1 моля газообразного водорода составляет 1-2 = 2 г (1 — атомная масса водорода, 2 — число атомов в молекуле Н2). Обозначив х объем 0,001 г водорода, находящегося в газообразном состоянии, и составив пропорцию 2 : 22 400 = 0,001 : х, находим х = 0,001-22 400 : 2 = 11,2 см3. Таким образом, содержание водорода в металле составляет 10~3 % по массе, или 11,2 см3/100 г.
Зависимость растворимости водорода в жидких металлах от давления и температуры обычно представляют в логарифмической форме, более удобной для расчетов:
lg [H]Fe = 0,5 lg Рн, - 1660/7 - 0,183;
lg №, = 0,5 lg PH, - 1176/7 - 0,2;
lg [Hlcu = 0,5 lg PH, - 2270/7 - 0,1;
lg [H]Ai = 0,5 lg PH1 - 2760/7 + 0,296.
В этих формулах Рн, выражается в Па, [Н]Ме — в см3/100 г.
Реакция взаимодействия жидкого алюминия с влагой практически сдвинута вправо:
2А1 + ЗН2О^Л12О8 + 6 [Н]А1.
Это объясняется очень большой убылью энергии Гиббса AG0, составляющей при 1000 К (827 °C) — 1489 кДж. Столь значительная величина объясняется большой термодинамической устойчивостью оксида алюминия (AG^o, = —1127 кДж на 1 моль О2) по сравнению с устойчивостью оксида водорода (AG(hiO — = —502 кДж на 1 моль О2). К этому также добавляется энергия 112
Гиббса образования раствора водорода в алюминии АС^н1д1 = = —92 кДж на 1 моль [Н1А1.
Из-за этих обстоятельств алюминиевые расплавы должны были бы сильно насыщаться водородом при любом содержании влаги в атмосфере. Однако этому препятствует оксидная плена А12О8, всегда присутствующая на поверхности расплава и возникающая в результате той же реакции. Кроме того, происходящее в ходе реакции повышение содержания растворенного в расплаве водорода вызывает переход этого газа в атмосферу, где его парциальное давление равно нулю. Практические наблюдения показывают, что насыщение алюминиевых расплавов водородом примерно пропорционально содержанию влаги в атмосфере. Как известно, содержание влаги характеризуется относительной влажностью, которая показывает отношение имеющегося парциального давления паров воды к давлению ее насыщенных паров при данной температуре. Зависимость давления насыщенного пара воды от температуры приведена ниже:
/, °C О 20406080100
РН2О, кПа 0,613 2,333 7,372 19,915 47,348 101,0
Таким образом, для оценки возможного содержания водорода в расплаве алюминия в приведенную ранее зависимость следует вместо РН1 подставить величину АН1О, характеризующую содержание влаги в атмосфере.
В результате того, что растворимость водорода в алюминии при понижении температуры уменьшается, охлаждение расплава, насыщенного водородов, должно приводить к выделению газа из раствора. Особенно интенсивным оно должно быть при кристаллизации расплава. Если понижение температуры происходит очень медленно, то водород имеет возможность выделяться в атмосферу через свободную поверхность, куда он поступает вследствие диффузии из всего объема расплава. При обычных скоростях охлаждения диффузионный массоперенос не может обеспечить вывод водорода из объема расплава. Происходящее понижение температуры приводит к столь большим пересыщениям, что в объеме расплава возникает самостоятельная газовая фаза в виде отдельных пузырьков. Газовые пузырьки появляются, как правило, на инородных твердых частицах. В итоге после кристаллизации в твердом металле обнаруживаются газовые поры диаметром 0,1—2 мм и более.
В момент образования в расплаве газового пузырька радиусом г давление в нем определяется зависимостью
Рп = Рвн 4" Рм + Рк, где Рвн — внешнее давление над расплавом; Рм = pgh — металлостатическое давление, здесь р — плотность расплава; g — ускорение свободного падения; h — высота столба расплава (глубина
от свободной поверхности до пузырька); Рк = 2а/г — капиллярное давление, здесь о — поверхностная энергия расплава.
Если скорость охлаждения достаточно велика (более 600 К/мин), газ вообще не выделяется из раствора. При этом в твердом металле газ остается в растворенном состоянии, и металл оказывается совершенно плотным, беспористым.
Содержание растворенных газов не должно превышать определенного уровня, иначе невозможно получение плотных отливок. Содержание газов, в частности водорода, контролируют различными аналитическими методами: вакуум-нагревом, вакуум- плавлением, рентгенофлюоресцентным. Наряду с ними разработаны и широко используются оценочные методы определения газонасыщенности по числу и размерам газовых пор в твердом металле. Такой метод предусматривает ГОСТ 1583—73 применительно к алюминиевым сплавам.
Оборудование, инструмент и материалы
Печь сопротивления с рабочей температурой 900 °C, шихтовые материалы и лигатуры для получения сплавов АЛ4, АЛ8, АЛ9, АК7М2; Д16; АМгб, В95, графитовые излджницы для получения плоских образцов диаметром 50—60, толщиной 12—15 мм, графитошамотные тигли вместимостью 0,05, 0,2 и 1 кг алюминия, термопары с гальванометром, ручная ножовка, набор плавильного инструмента, клейма, набор материалов для изготовления макро- и микрошлифов, набор травителей для выявления макро- и микроструктур, бинокулярная лупа, спецодежда, очки, рукавицы.
Порядок проведения работы
Работа рассчитана на 4 ч.
Рассчитать шихту для приготовления сплава.
Загрузить шихту в тигель, поместить тигель в печь, расплавить металл, довести температуру расплава до 750 °C. Порядок загрузки шихты согласовать с преподавателем.
Из полученного расплава отлить два-три плоских образца в графитовую изложницу, нагретую не выше 40 °C и два-три образца в тигель вместимостью 50 г, нагретый в муфеле до 300 °C. Образцы заклеймить.
Оставшийся в плавильном тигле расплав обработать в печи сырым асбестом, помещенным в колокольчик (только под руководством преподавателя) и отлить образцы по п. 3.
Разрезать образцы по вертикальной плоскости, зачистить поверхность напильниками и шлифовальной шкуркой, протравить в растворе едкого натра, осветлить в азотной кислоте. Изучить поверхность полученного шлифа невооруженным глазом и при увеличении в 7—10 раз. Подсчитать число газовых пор диаметром 0,1—1 мм, приходящихся на 1 см2 площади шлифа, на трех—пяти участках шлифа. Для подсчетов мелких пор с помощью биноку- 114
Таблица 15
Баллы пористости алюминиевых сплавов в зависимости от числа и размера пор на протравленном шлифе (ГОСТ 1683—73)
Число пор, шт ./см*
Диаметр поры, мм
Доля пор данного размера, %
Балл пористости
До 5
До 0,1
100
1
До 10
До 0,1
До 0,2
80
20
2
До 15
До 0,3
До 0,5
80
20
3
До 20
До 0,5
До 0,1
70
30
4
До 25
До 0,5
До 1,0
Св. 1,0
60
30
10
5
лярной лупы вначале определить цену деления окулярной линейки. Записать полученные результаты.
Внимательно рассмотреть свободную поверхность плоских образцов, полученных в графитовой изложнице. Отметить наличие на поверхности бугорков диаметром 0,2—0,5 мм, образованных пузырьками газа, которые деформировали оксидную плену на поверхности расплава при всплывании.
Результаты наблюдений и их обработка
Провести статистическую обработку результатов подсчета числа газовых пор. Рассчитать дисперсию и найти доверительный интервал при вероятности 0,95.,
Используя результаты подсчета числа газовых пор в образцах, определить балл пористости по табл. 15.
Сопоставить вид поверхности плоских образцов с оценкой пористости по числу и размеру пор на шлифах для расплава в исходном состоянии и после насыщения водородом.
Содержание отчета
Краткое изложение теории.
Описание технологии приготовления сплава, его обработки, получения образцов, подготовки шлифов.
Методика определения пористости образцов.
Описание полученных результатов (балл пористости, внешний вид образцов, рисунки или фотографии шлифов).
Выводы.
Контрольные вопросы
В чем сущность взаимодействия металлических расплавов с влагой?
Чем загрязняются алюминиевые расплавы при плавке во влажной атмосфере?
Что является основным источником водорода, обнаруживаемого в металлических расплавах?
Как влияет скорость охлаждения на процесс выделения газа из раствора?
Можно ли утверждать, что жидкий металл не содержал водорода, если в литом образце не выявляются газовые поры?
Как выглядит газовая пористость? Чем она отличается от усадочной пористости?
Работа 23
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВЕЛИЧИНЫ СВОБОДНОЙ
И ЗАТРУДНЕННОЙ ЛИНЕЙНОЙ УСАДКИ СПЛАВОВ
Общие сведения
При охлаждении металла, залитого в литейную форму, происходит уменьшение его объема. Этот процесс называют усадкой.
Объемной усадкой отливки называют разницу между объемом полости формы Уф и объемом отливки Уотл после полного ее охлаждения:
6V=юоо/0.
V отл
Разница между линейными размерами полости формы /ф, заполненной жидким металлом, и размерами отливки /отл после охлаждения до 20 °C называется линейной усадкой
ел = /ф~^ 100 о/о.
*отл
Объемная усадка проявляется в виде концентрированных раковин и пористости в тепловых узлах. Линейная усадка предопределяет различие линейных размеров модели и отливки.
Линейная усадка сплавов относится к числу основных литейных свойств, определяющих возможность получения отливок заданных размеров и конфигурации. Усадку сплава обязательно учитывают при конструировании отливки и разработке технологии ее получения.
Линейная усадка обусловлена термическим сжатием сплава как твердого тела при его охлаждении. Известно, что величина термического сжатия AZ определяется зависимостью
AZ = Zo I = Zo — Zo [ 1 — a- (1$ — Z) J =
Zo® (Zo Z),
где Zo — линейный размер образца в исходном состоянии при температуре Zo; I — размер охлаждающегося образца при тем-
пературе t < t0; a — температурный коэффициент линейного расширения (сжатия) материала образца.
Применительно к линейной усадке отливки размер полости формы /ф = /0, начальная температура /0 равна температуре, при которой сплав начинает вести себя как твердое тело, температура 1 = 20 °C, размер отливки /отл = /0 [1 — a (t0 — 20 °C) L Следовательно,
ел = a (/0 — 20 °C)/ И — а (/0 — 20 °C)].
Расчет линейной усадки металлов и сплавов по формуле не может дать правильных результатов по ряду причин:
температурный коэффициент линейного расширения не является величиной постоянной; он существенно изменяется с температурой;
линейная усадка литых образцов зависит от условий затвердевания и охлаждения, которые не учитываются формулой;
линейная усадка сплавов, имеющих интервал кристаллизации, начинается не при температуре ликвидуса и не при температуре солидуса, а при некоторой промежуточной температуре, которая называется температурой начала линейной усадки. Эта температура характеризуется тем, что количество выпавших кристаллов таково, что они образуют единый каркас, так что образец из данного сплава начинает вести себя как твердое тело, несмотря на существование довольно большого количества жидкости (до 30 %).
Температуру начала линейной усадки невозможно определить заранее каким-либо расчетом. Она зависит от условий охлаждения величины кристаллов, разветвленности дендритов. По этим причинам линейную усадку сплавов определяют экспериментально на специально отливаемых образцах. Одинаковые исходные размеры и форма образцов и постоянство условий литья и затвердевания позволяют получать результаты, которыми можно характеризовать сплавы в зависимости от их состава и состояния. е
Линейную усадку сплавов определяют на образцах, имеющих вид прямых брусков или прутков, отливаемых в горизонтальном положении. Вначале измеряют линейный размер формы /ф, затем заливают ее расплавом, отливку извлекают и после полного охлаждения до нормальной температуры измеряют ее размер /отл.
У многих сплавов наблюдается временное расширение, которое предшествует усадке. Это явление называют предусадочным расширением. Оно составляет 0,1—0,3 %. Его связывают с выделением газов, расширением кристаллического каркаса из-за разогрева отливки в момент отхода от стенок формы, капиллярным давлением жидкости в каналах между осями дендритов. У серых чугунов предусадочное расширение объясняется графитизацией в процессе кристаллизации.
Следует различать линейную усадку сплава и линейную усадку отливки. При описанном определении линейной усадки
сплавов образец имеет такую форму и отливается таким образом, л что сокращение размеров проходит беспрепятственно. Поэтому найденное значение линейной усадки называют также свободной линейной усадкой.
В реальных условиях сокращению размеров отливок препятствуют форма вследствие трения отливки о ее стенки, стержни, выступающие части. Кроме механического затруднения усадки, большинство отливок испытывает затруднение, связанное с различием скоростей охлаждения ее отдельных частей. Ранее затвердевшие части отливки (тонкие ребра, выступы) препятствуют усадке в тех местах, где затвердевание происходит позже. Кроме того, из-за разновременности затвердевания и охлаждения внутренних и наружных слоев в наружных слоях массивных отливок возникают температурные напряжения сжатия. Это приводит к увеличению линейной усадки данного участка отливки, поэтому линейная усадка различных частей отливки в общем случае неодинакова. Как правило, линейная усадка фасонных отливок равна или меньше линейной усадки сплава, а крупных массивных отливок (слитки и т. п.) больше линейной усадки сплава.
Для оценки линейной усадки при затруднении сокращений размеров выступающими частями формы отливают специальные образцы с расширениями на концах. Такую усадку называют затрудненной.
Оборудование, инструмент и материалы
Печь для плавки алюминиевых сплавов, графитошамотные тигли, потенциометры типа КСП, модельные комплекты, набор формовочного, плавильного и измерительного инструмента, секундомер, формовочная смесь, алюминий и лигатуры А1—Си и А1—Si, флюсы для рафинирования алюминия и его сплавов, приборы И. Ф. Большакова и ЦНИИТмаша, спецодежда.
На рис. 43 показана схема прибора И. Ф. Большакова. На металлическом каркасе / смонтирована индикаторная головка 2 с циферблатом 3. Прибор проградуирован так, что каждое деление шкалы соответствует изменению линейного размера образца длиной 200 мм на 0,002 мм, т. е. на 0,001 %. В каркас прибора устанавливают форму 8 с полостью размерами 30Х25Х X 250 мм. Над формой помещают две подвижные каретки, одна 4 из которых штоком соединена с иглой индикатора, а другая 6 закреплена в торцовой стенке каркаса. В каждой из кареток закрепляют шпильки 7. Нижние концы шпилек входят в полость формы на глубину 18—20 мм, а верхние выступают на 3—10 мм над каретками. Расстояние между центрами шпилек 200 мм устанавливают с точностью до 0,1 мм с помощью контрольной планки 5.
Перед снятием контрольной планки со шпилек прибор приводят в исходное положение. Для этого штоком передней каретки нажимают на иглу индикатора так, чтобы его стрелка, сделав 118
Рис. 43. Схема прибора И. Ф. Большакова
пять оборотов по циферблату вправо, останавливалась точно на нуле шкалы. В таком положении задняя каретка 6 крепится к торцовой стенке каркаса, а передняя после снятия контрольной планки остается в свободном состоянии, фиксируя исходное положение.
После сборки прибора в полость формы заливают металл и записывают показания индикатора. Одновременно с помощью термопары, помещенной в центре образца, измеряют температуру.
Схема прибора ЦНИИТмаша для исследования свободной линейной усадки представлена на рис. 44. Прибор собирают
250250Рис. 45. Модели о разцов для определения усадкиРис. 45. Модели о разцов для определения усадкив полой станине /, в которой расположена форма 5 с полостью 6 для заливки образца и индикаторы для измерения усадки. Для уменьшения теплового потока к станине прибора под форму подкладывают листовой асбест. Теплоизоляция станины имеет важное значение для увеличения точности измерения.
250
250
Рис. 45. Модели о разцов для определения усадки
Рис. 45. Модели о разцов для определения усадки
Регистрация перемещения
проводится одновременно с двух сторон образца с помощью двух индикаторов 2. Индикатор собран на базе стандартной головки часового типа, в которую встроена пружина в виде кольца. На пружину наклеивают два проволочных датчика соответственно на растянутую и сжатую сторону. Датчики соединены последовательно. Запись показаний датчиков производится электронным потенциометром КСП-4. Передача перемещений образца осуществляется через патроны 3, установленные в форме, и кварцевые наконечники 4, которые поджимаются к патронам пружинками, находящимися в индикаторных головках. На установке измеряется усадка образцов длиной 200 мм. Градуирование прибора осуществляется путем сопоставления показаний индикатора и потенциометра КСП-4. Для этого достаточно сделать одним или обоими индикаторами поочередно два-три оборота стрелки по циферблату, т. е. переместить шток на 2—3 мм с остановкой после каждого перемещения штока. Регистрирующий прибор запишет эти перемещения в соответствующем масштабе на ленте. Подобное градуирование проводят перед каждой заливкой образца.
Одновременно с записью линейной усадки производится замер температуры образца в процессе затвердевания и последующего охлаждения. Термопара устанавливается в центре об
разца.
На приборах И. Ф. Большакова и ЦНИИТмаша определяют свободную линейную усадку. Свободную и затрудненную линейную усадку определяют также на отдельно отливаемых образцах. Образец для определения свободной усадки имеет вид прутка (рис. 45, о).
Концы образца для определения затрудненной усадки (рис. 45, б) имеют Т-образную форму за счет поперечных полок. Эти полки препятствуют усадке образца в продольном направлении. На модели каждого образца предусмотрены отверстия, которые служат для замера размеров /ф и /отл, необходимых для расчета линейной усадки.
Порядок проведения работы
Работа рассчитана на 4 ч.
Рассчитать шихту для получения сплава заданного состава, используя алюминий и лигатуры А1—Si или А1—Си. Общая масса шихты задается преподавателем.
Выплавить сплав заданного состава по соответствующей технологии, перегреть его на 100—120 °C выше температуры ликвидуса.
Изготовить формы для определения линейной усадки на приборе И. Ф. Большакова или приборе ЦНИИТмаша. Залить формы расплавом. При работе на приборе И. Ф. Большакова записать показания индикатора и прибора, измеряющего температуру вначале через каждые 5—10 с, затем через 1—5 мин. При работе на приборе ЦНИИТмаша перед заливкой включить потенциометры КСП-4, записывающие перемещения концов образца.
Изготовить формы для получения образцов для определения свободной и затрудненной усадки. Предварительно замерить и записать расстояние между центрами отверстий на моделях. Залить формы расплавом, охладить полученные образцы в форме до 50 °C и извлечь их из формы (приблизительно через 30 мин после заливки). Замерить расстояние между метками на полученных образцах и записать их.
Результаты наблюдений и их обработка
При работе с отдельными образцами вычислить величину линейной усадки сплава по формуле, используя замеры /ф и /ОТл- Результаты, полученные с помощью приборов и расчетов, занести в таблицу.
По результатам, полученным с помощью прибора И. Ф. Большакова, построить графичес
кую зависимость усадки от температуры образца. Найти путем экстраполяции до t — = 20 °C величину линейной усадки изучаемого сплава.
По кривым, записанным на диаграммной ленте КСП-4 при работе на приборе ЦНИИТмаша, построить графические зависимости линейной усадки от температуры и времени. Путем экстраполяции до / = 20 °C найти величину линейной усадки изучаемого сплава.
Способ определения усадки
Линейная усадка сплавов
Al—Si
Al—-Си
С помощью приборов:
И. Ф. Большакова ЦНИИТмаша По образцам:
свободная усадка затрудненная усадка
Содержание отчета
Описание методики определения линейной усадки.
Эскизы литейных форм и образцов.
Результаты опытов в виде графиков и таблицы.
Выводы.
Контрольные вопросы
Какова основная причина линейной усадки?
В чем различие свободной н затрудненной линейной усадки?
Почему нельзя определять величину линейной усадки сплавов расчетным путем?
В чем состоит различие между линейной усадкой сплава и линейной усадкой отливки?
Что такое температура начала линейной усадки?
Каковы причины того обстоятельства, что линейная усадка отливкк оказывается меньше линейной усадки сплава?
Может лн линейная усадка отливкк оказаться больше линейной усадки сплава?
Какие приборы применяют для определения линейной усадки сплавов?
Работа 24
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВЕЛИЧИНЫ ОБЪЕМНОЙ УСАДКИ СПЛАВА
Общие сведения
Плотность большей части металлов и сплавов при охлаждении возрастает, соответственно уменьшается удельный объем — величина, обратная плотности. В связи с этим наблюдается непрерывное уменьшение объема расплава, залитого в литейную форму, постепенно затвердевающей отливки и твердой отливки при изменении температуры от температуры заливки до нормальной. Если принять, что охлаждение заданной массы расплава в литейной форме происходит только по боковой и донной поверхностям, то изменение объема будет сопровождаться понижением уровня расплава в форме. Уровень расплава после образования твердой корки на поверхности будущей отливки до момента полной кристаллизации может понижаться только в глубинных слоях, где еще не началось затвердевание. Изменение объема в этот период проявляется в образовании концентрированных усадочных раковин и усадочных пор. Изменение объема, происходящее при охлаждении затвердевшей отливки, проявляется в уменьшении ее линейных размеров. Таким образом, общая объемная усадка металла складывается из усадки в жидком состоянии, усадки в процессе кристаллизации и усадки в твердом состоянии.
Количество раковин и пор (усадка в процессе кристаллизации) в отливках зависит от характера кристаллизации сплава, прежде всего интервала кристаллизации, и условий затвердевания.
Рнс. 46. Схема затвердевания сплава, не имеющего интервала кристаллизации:
а — диаграмма состояния; б — диаграммы распределении температуры по сечению отливки; в — отливка в процессе охлаждения
Рассмотрим затвердевание отливки из сплава К, кристаллизующегося при постоянной температуре (рис. 46). Примем, что заполнение формы закончено до кристаллизации сплава в каком-либо месте отливки и что после заполнения добавочного количества сплава в форму не поступает, а охлаждение идет равномерно со всех сторон, кроме верха. Примем также, что объемная усадка в жидком и твердом состояниях пропорциональна температуре и что при кристаллизации объем сплава уменьшается .
В соответствии с распределением температуры по сечению отливки сплав будет затвердевать и его объем будет изменяться. В момент окончания заливки (кривая /) форма полностью заполнена жидким сплавом 1. Охлаждение сплава до температуры, распределение которой характеризуется кривой II, сопровождается уменьшением объема расплава, которое проявляется в понижении его уровня в форме. С этого момента начинается кристаллизация сплава. При достижении температуры, распределение которой характеризуется кривой ///, на поверхности отливки образуется твердый слой 3, а в центральной части сохраняется расплав. Уменьшение объема при переходе сплава из жидкого в твердое состояние обусловливает понижение уровня расплава. В отливке образуется усадочная раковина 2, размеры которой увеличиваются по мере охлаждения до полного затвердевания. При достижении распределения температуры, показанного кривой IV, отливка будет иметь окончательные размеры. Объемная усадка в твердом состоянии проявится в уменьшении
Рнс. 47. Схема затвердевания сплава с интервалом кристаллизации: а *— диаграмма состояния; б -— диаграммы распределения температуры по сечению отливки; в — отливка в процессе охлаждения
линейных размеров отливки пропорционально величине линейной усадки сплава.
Следовательно, если сплав не имеет интервала кристаллизации, отливка при любых условиях охлаждения затвердевает послойно путем постепенного нарастания твердого слоя. Поэтому объемная усадка при кристаллизации проявляется в виде сосредоточенной усадочной раковины.
Затвердевание отливки из сплава, имеющего интервал кристаллизации, отличается от затвердевания отливки из сплава, кристаллизующегося при постоянной температуре.
Рассмотрим затвердевание отливки из сплава М (рис. 47) при условиях заливки и охлаждения, которые были приняты для сплава К, кристаллизующегося при постоянной температуре (см. рис. 46). В момент окончания заливки (кривая /) форма полностью заполнена жидким сплавом /. Охлаждение расплава до температуры, распределение которой соответствует кривой II, приводит к объемной усадке расплава, проявляющейся в понижении уровня расплава в форме. С этого момента начинается кристаллизация сплава. При достижении распределения температуры, соответствующего кривой ///, в отливке образуется двухфазная область 2. По мере образования и роста кристаллов в этой области понижается уровень расплава в отливке, образуется усадочная раковина 3, глубина которой увеличивается вплоть до достижения температуры, распределение которой соответствует кривой IV. В интервале между кривыми /// и IV на поверхности отливки растет твердый слой сплава, а в центральной части сохраняется расплав, который питает двухфазную
Рис. 48. Влияние состава сплава на усадку в процессе кристаллизации:
/ — линия начала линейной усадки; 2 *— кривая ивмене- ния объемной усадки сплавов при крнсталлнэацни; 3 — изменение объема усадочной пористости сплава; 4 •=— изменение объема усадочной раковины сплава
область. При достижении температуры, распределение которой соответствует кривой IV, двухфазная область доходит до центра отливки, а на поверхности отливки образуется слой твердого сплава 4. При этом растет глубина усадочной раковины. Дальнейшее охлаждение отливки до нормальной температуры (кри
вая V) приводит к исчезновению двухфазной области, некоторому
увеличению объема усадочной раковины, образованию усадочной
пористости и сокращению размеров отливки.
Можно отметить, что если сплав имеет интервал кристаллизации, в затвердевающей отливке появляется двухфазная область. Пока в средней части отливки имеется жидкий сплав, объемная усадка при кристаллизации проявляется в образовании усадочной раковины. Когда же жидкость исчезает и двухфазная область распространяется на всю центральную часть отливки, усадочная раковина перестает углубляться и начинается образование пористости (рыхлоты) в срединной части отливки. Пористость образуется, во-первых, в результате оттока расплава на восполнение усадки (на питание) затвердевающих периферийных слоев двухфазной области, во-вторых, вследствие усадки при кристаллизации расплава между ветвями дендритов в самой двухфазной области.
Объем усадочной пористости в отливке определяется размерами двухфазной области на конечной стадии затвердевания, количеством имеющегося там расплава и величиной объемной усадки. Следовательно, в общем случае объем усадочной пори
стости в отливке должен зависеть от величины интервала кристаллизации сплава, распределения температуры по сечению отливки, скорости кристаллизации сплава (интенсивности нарастания твердой фазы в пределах интервала кристаллизации), величины объемной усадки сплава.
Если проследить за проявлением объемной усадки в процессе кристаллизации одной и той же отливки, получаемой в одинаковых условиях из разных сплавов системы с простой эвтектикой, то выявляется зависимость, представленная на рис. 48. В отливках из чистых металлов и сплавов эвтектического состава объемная
усадка при кристаллизации выражается только в виде сосредоточенной усадочной раковины. В отливках из всех других сплавов, обладающих интервалом кристаллизации, имеются усадочная раковина и усадочная пористость. Наибольший объем усадочной по-
ристости обнаруживается в отливках из сплавов, расположенных между чистыми металлами и эвтектическим составом.
На характер зависимости, представленной на рис. 48, существенно влияют условия охлаждения. Увеличение интенсивности охлаждения отливки в ходе затвердевания вызывает сокращение двухфазной области, в результате чего объем пористой области сокращается, объем усадочной пористости уменьшается, а объем усадочной раковины увеличивается. Уменьшение интенсивности охлаждения отливки вызывает обратные изменения: объем усадочной пористости возрастает, а усадочной раковины уменьшается. В случае достаточно малой интенсивности охлаждения двухфазная область распространяется на все сечения отливки, и поэтому усадочная раковина вообще не образуется, а объемная усадка проявляется только в виде рассеянной по всему объему отливки усадочной пористости.
Подобное встречается и в отливках из широкоинтервальных сплавов, получаемых в формах из материалов с малой теплопоглощающей способностью: в отливках из сплавов на основе алюминия с интервалом кристаллизации более 80 °C и отливках из оловянных бронз с 5—10 % олова, получаемых в песчаных формах.
Экспериментальное определение объемной усадки сплавов производится на специальных отливках-образцах простейшей формы (шар, куб, конус, цилиндр). Объемную усадку вычисляют по следующей 'формуле:
еу = J^ZlKsGp. 100 о/О)* обр
где Уф — объем формы, см8; Уобр — объем образца, см3.
Поскольку условия получения образцов выдерживаются постоянными, получаемые значения объемной усадки можно считать характеристикой сплава и определять, например, закономерности объемной усадки сплава в связи с его положением на диаграмме состояния.
В настоящей работе определение объемной усадки сплавов проводится на образцах в форме куба, цилиндра, конуса или шара. Куб отливают в песчаной форме, шар и цилиндр — в кокилях. Модель куба для удобства формовки имеет формовочные уклоны и, по существу, представляет собой усеченную пирамиду.
В песчаную форму металл заливают через стояк и тонкий питатель, который после заполнения полости формы быстро затвердевает, предотвращая тем самым поступление металла из стояка в полость формы, по мере усадки расплава. Часто для прекращения поступления расплава в форму питатель перекрывают металлической пластиной (рис. 49, а). Заливку шара ведут через низкий стояк, объем которого равен ~1 % объема шара (рис. 49, б).
Конусный образец получают заливкой разъемной оболочковой формы, в которую устанавливают холодильники и песчаные 126
Рис. 49. Формы для получения проб на объемную усадку:Рис. 49. Формы для получения проб на объемную усадку:
Рис. 49. Формы для получения проб на объемную усадку:
Рис. 49. Формы для получения проб на объемную усадку:
а — кубической: 1 — стояк; 2 — стальная пластина; 3 — формовочная смесь; 4 — асбест; 5 — полость формы; 6 — опока; 7 — подоночная плита; 8 — холодильник; б — шаровой; а — конусной: 1,4 — песчаные стержни; 2 — холодильник; 3 — кольцевой холодильник
стержни для создания направленного охлаждения с целью выведения открытой усадочной раковины на верхнюю поверхность (рис. 49, в).
Поскольку усадка при кристаллизации проявляется в виде усадочных раковин неправильной формы и усадочной пористости, определить объем твердого образца путем геометрических измерений не представляется возможным. Поэтому этот объем находят делением массы образца на плотность сплава.
Для определения плотности небольшую порцию исследуемого сплава заливают в металлическую изложницу для получения слитка размером 10x10x60 мм. Быстрое охлаждение сплава в изложнице позволяет получить нижнюю часть слитка плотной, без усадочных пор. От нижней части слитка отрезают образец высотой 10 мм; обрабатывают его поверхность наждачной бумагой. Взвешивая образец на воздухе и в жидкости, определяют плотность сплава-
Рспл ~ Тж^в/^в ^ж), где ?ж — плотность жидкости, г/см8; тъ — масса образца на воздухе, г; тЕ — масса образца в жидкости, г; ть — тж — масса вытесненной жидкости, г.
Для удобства взвешивания образец подвешивают на капроновой нити, масса и объем которой не вносят большой погрешности в результаты определения плотности сплава. По найденному значению плотности сплава и массе образца тОбР (куба, шара, цилиндра) находят объем сплава в этом образце
Уобр = ^обр/Рспл-
Исходный объем полости формы Уф при отливке куба вычисляют по размерам модели (усеченной пирамиды)
Уф = Н (Sx -|- S2 + VS1S2)/3,
где Н — высота модели, см; Sj, S2 — площади оснований пирамиды, см2.
При отливке шара объем полости формы определяют по формуле
Уф = 4л7?8/3,
где R — радиус шара, см.
Объем открытых усадочных раковин определяют путем их заполнения жидкостью из мерных сосудов.
Для определения пористости образец взвешивают в воде. Предварительно его поверхность покрывают тонким слоем парафина для предотвращения попадания влаги в поры. По разности масс образца на воздухе и в воде определяют его объем. Разность объемов образца и сплава в нем и есть объем пор.
Оборудование, инструмент и материалы
Плавильная печь, хромель-алюмелевая термопара, гальванометр, модели образцов для определения объемной усадки, металлические формы для получения отливок шара или цилиндра, аналитические и технические весы, штангенциркуль, графитошамотовые тигли, плавильный и формовочный инструмент, шихтовые материалы, хлорид марганца, спецодежда, защитные очки.
Порядок проведения работы
Работа рассчитана на 4 ч.
Целью работы является определение величины объемной усадки и пористости сплавов в зависимости от их положения на диаграмме состояния. Работу целесообразно вести с использованием двух-трех сплавов системы алюминий—кремний или алюминий—медь.
Рассчитать шихту для приготовления сплавов. Состав сплавов задается преподавателем.
Загрузить шихту в тигель и расплавить ее. Нагреть расплав до 750 °C и обработать его хлоридом марганца (0,1—0,15 %).
Подготовить литейные формы для определения объемной усадки. Установить их на место заливки.
Залить формы металлом. Перегрев сплавов над температурой ликвидуса должен составлять 100 °C.
Охладить отливки, извлечь их из форм, очистить от формовочной смеси, отделить литники.
Из нижней части слитка сечением Юх 10 мм вырезать образец высотой 10 мм. Обработать поверхность образца шлифовальной шкуркой.
Определить плотность сплава. Для этого образец подвесить на капроновой нити и определить его массу на воздухе и в воде с точностью до четвертого знака.
Произвести необходимые измерения модели и полости формы, вычислить объем полости формы Уф. Взвесить образцы
(куб, шар, цилиндр). Определить объем сплавов в образцах ^спл ~ ^обр/Рспл>
где тобр — масса образца, г.
Рассчитать абсолютную и относительную объемную усадку сплавов!
еоб. абс = Vф — ИСПЛ» еоб. отн = ——£22- 100 %, г спл
Измерить объем открытых усадочных раковин, заполняя их керосином.
Взвесить образцы в воде. Определить их объемы УОбР. Перед взвешиванием покрыть образцы тонким слоем парафина.
Вычислить объем пор в образцах
V =V г -Vупор * обр * спл-
Разрезать отливки и изучить распределение усадочной пористости по сечению.
Результаты наблюдений и их обработка
Результаты опытов внести в рабочий журнал.
Построить график изменения относительной объемной усадки, объема усадочных раковин и объема пор в зависимости от состава сплавов заданной системы.
Содержание отчета
Краткое изложение теории объемной усадки.
Расчет шихты.
Описание условий проведения опытов.
Результаты опытов.
Графическая зависимость объемной усадки от состава
сплава.
Выводы.
Контрольные вопросы
Какие физические явления лежат в основе объемной усадки отливок?
В каком виде проявляется объемная усадка отливок?
Как влияет интервал кристаллизации сплава на проявление объемной усадки?
Как влияют условия охлаждения отливки на проявление объемной усадки?
Как отражается перегрев расплава на величине объемной усадки?
Какие условия влияют на ширину пористой зоны в отливке?
Какова цель дегазации расплава при определении объемной усадки отливок?
1291295 п/р А. В, Курдюмова
129
129
Работа 25
>ОПРЕДЕЛЕНИЕ СКЛОННОСТИ СПЛАВОВ
К ОБРАЗОВАНИЮ ТРЕЩИН ПРИ ЗАТРУДНЕННОЙ УСАДКЕ
Общие сведения
В отливке напряжения возникают вследствие неравномерной и неодновременной усадки отдельных ее частей. В зависимости от причин, вызывающих неравномерность усадки, напряжения подразделяют на три вида:
температурные (термические) от, обусловленные различием температуры разных частей отливки при охлаждении;
фазовые оф, возникающие в результате неодновременного протекания фазовых превращений в отливке;
усадочные ау, обусловленные механическим торможением усадки формой или стержнями.
Температурные и фазовые напряжения являются остаточными, а усадочные — временными. Усадочные напряжения существуют до тех пор, пока отливка не извлечена из формы и из нее не удалены стержни, т. е. пока сохраняются причины, вызывающие эти напряжения. Под действием напряжений происходит коробление отливок или в них образуются трещины.
В работе [23] отмечалось, что усадка отливки начинается с момента образования кристаллического скелета, т. е. задолго до полного затвердевания. При температурах между ликвидусом и солидусом большая часть литейных сплавов имеет очень низкие прочность и пластичность. Поэтому напряжения, возникающие в этот период, чрезвычайно опасны из-за образования трещин.
Склонность сплавов к образованию трещин во время кристаллизации определяется величиной линейной усадки, механическими свойствами при высоких температурах, скоростью затвердевания, характером кристаллизации, температурой начала линейной усадки и пр.
Между склонностью сплавов к образованию трещин при затрудненной усадке и величиной эффективного интервала кристаллизации установлена прямая связь. Для одной и той же системы сплавов по мере увеличения эффективного интервала кристаллизации (разности температур между линией 1 начала линейной усадки и солидусом) склонность к образованию трещин растет (рис. 50). Понятие «эффективный интервал кристаллизации» было введено академиком А. А. Бочваром, и под ним подразумевается интервал, ограниченный температурой начала линейной усадки и температурой солидуса.
Решающее влияние на склонность сплава к образованию трещин при затрудненной усадке имеет его пластичность в эффективном интервале кристаллизации. Если металл способен вынести деформацию растяжения, равную или большую линейной усадки 130
Рнс. 50. Влияние состава сплава на его склонность к образованню трещин (СОТ) при затруд ненной усадке
в этом интервале, то разрушения отливки не происходит. По данным И. И. Новикова, величина пластичности при температуре выше температуры солидуса определяется характером затвердевания сплава. Сохранение большого количества жидкости до температуры солидуса делает сплав трещиноустойчивым. Если проч
ный скелет образуется вблизи температуры ликвидуса, то, как правило, сплав обладает малой трещиноустойчивостью.
Характер кристаллизации определяет и рост прочности корки.
Чем быстрее растет прочность, тем выше трещиноустойчивость
сплава.
Склонность сплавов к образованию трещин при затрудненной усадке определяют с помощью технологических проб. По методу А. А. Бочвара и 3. А. Свидерской эта характеристика определяется на образцах, имеющих форму двутавра. Сущность метода заключается в том, что залитый образец охлаждается в форме в условиях затрудненной усадки. Противодействие усадке создается грузом. Величина напряжений, вызывающих образование трещин, вычисляется из отношения массы приложенного груза к площади сечения образца в месте образования трещины. Прибор состоит из двух металлических частей, одна 3 из которых подвижна и может перемещаться вследствие сокращения размеров образца (рис. 51, а\ Средняя часть выполняется из формовочной смеси 2, уплотняемой в неподвижной части 1. Прибор смонтирован на металлической плите. Для затруднения усадки к подвижной части через ролик подвешивают груз 4. Метод дае,т возможность провести сравнительную оценку сплавов. Однако абсолютные значения напряжений, вызывающих разрушение, нельзя считать постоянными, так как они получены для конкретных условий кри- стализации. Для получения сопоставимых результатов площадь сечения образцов, условия заливки, место подвода металла и время выдержки образцов под нагрузкой следует принимать оди
наковыми.
Обнаружение трещин на поверхности образцов ведут 'при нормальной температуре с помощью бинокулярной лупы.
Кинетику возникновения и роста напряжений, время и температуру, при которой образуются трещины, изучают на приборе Н. А. Трубицина. Прибор состоит из литейной формы, мостика постоянного тока и потенциометра ЭПП, обеспечивающих автоматическую запись температуры и нагрузки, испытываемой образцом во время опыта (рис. 51, б).
5*5*131
5*
5*
Ф100
Рнс. 51. Схемы приборов для определения склонности сплавов к образованию трещин при затрудненной усадке
Склонность сплава к образованию трещин при затрудненной усадке исследуют па образце диаметром 25 мм с утолщением на одном конце до 50 мм. Опока 5 имеет приливы 11 для двух болтов 10, фиксирующих утолщенную часть образца. На одной из торцовых сторон опоки предусмотрено отверстие 3 диаметром 60 мм для удаления модели после формовки. Это отверстие затем заделывают стержнем или шамотной пробкй /. Через эту же пробку . (по центру) вводят термопару 2 для измерения температуры в области образования горячих трещин — соединении тонкой и толстой частей образца. С противоположной стороны в полость формы вводят шпильку-тягу 4, соединенную с пружиной 7 с помощью гаек 6 и 8. Тяга имеет конусную резьбу, обеспечивающую соединение ее с образцом при заливке формы сплавом. Шпильку- тягу изготовляют из мягкой стали. Пружину 7 укрепляют болтом 9 в специальном приливе опоки.
Усилия сопротивления усадке измеряют тензометрическими * датчиками из константановой проволоки, наклеенными на пластинчатую пружину 7. Перед установкой в прибор пружину с наклеенными датчиками тарируют на прессе. По этим данным строят тарировочный график, устанавливающий зависимость между усилием, изгибающим пружину (Н), и показаниями потенциометра (мВ).
Для определения склонности сплавов к образованию трещин по методу С. И. Спекторовой и А. А. Лебедева в песчаной форме с металлическими стержнями отливают кольца различной ширины (рис. 52). Внешние контуры кольца образуются формовочной смесью, а внутренние — металлическим стержнем. Ширину кольца можно изменять от 5 до 42,5 мм, через каждые 2,5 мм, устанавливая стержни разного диаметра. Технология получения отливки предусматривает неравномерное охлаждение колец путем уста- 132
Рис. 52. Кольцевая проба С. И. Спекторовой и А. А. ЛебедеваРис. 52. Кольцевая проба С. И. Спекторовой и А. А. Лебедевановки плоского холодильника на части, противоположной литнику. Одновременно отливают два кольца. После охлаждения и извлечения из формы, перед удалением стержней, отливки обследуют с целью обнаружения трещин. Сравнение трещи- ноустойчивости сплавов проводят при заливке их с одинаковым перегревом над температурой ликвидуса. Критерием горячеломкости сплава
Рис. 52. Кольцевая проба С. И. Спекторовой и А. А. Лебедева
Рис. 52. Кольцевая проба С. И. Спекторовой и А. А. Лебедева
служит ширина кольца, при которой появляется первая трещина. Чем шире кольцо, тем больше склонность сплава к образованию трещин при затрудненной усадке.
Оборудование, инструмент и материалы
Плавильная печь, приборы для определения склонности сплавов к образованию трещин при затрудненной усадке, гальванометр с термопарой, опоки, модельные комплекты, формовочный, плавильный и измерительный инструмент, формовочная смесь, спецодежда.
Порядок проведения работы
Работа рассчитана на 4 ч.
Ознакомиться с методами определения склонности сплавов к образованию трещин при затрудненной усадке.
Изготовить три-четыре формы для определения трещино- устойчивости по методу, указанному преподавателем.
Собрать формы и установить их в рабочее положение.
Подключить потенциометр для автоматической записи температуры и нагрузки, которую испытывает образец при затрудненной усадке.
Выплавить сплав заданного состава в соответствии с требованиями технологии плавки.
Залить формы. Охладить отливки до 50 °C и извлечь их из форм. Заливку проводить при одинаковом перегреве над температурой ликвидуса. Величина перегрева задается преподавателем.
Осмотреть образцы через бинокулярную лупу и выявить трещины.
Результаты наблюдений и их обработка
Результаты опытов внести в рабочий журнал. Провести статистическую обработку результатов опытов.
По данным потенциограмм и тарировочному графику пружины построить графики изменения температуры образца и нагрузки в зависимости от времени охлаждения.
Определить температуру, время образования трещины и нагрузку, вызвавшую ее образование.
Используя данные, полученные другими бригадами студентов, построить график изменения трещиноустойчивости в зависимости от состава сплавов.
Содержание отчета
Краткое изложение теории.
Описание методики определения склонности сплавов к образованию трещин при затрудненной усадке.
Результаты опытов. Графики.
Выводы.
Контрольные вопросы
С чем связано появление кристаллизационных трещин в отливках?
Чем определяется склонность сплавов к образованию трещин при затрудненной усадке?
Какая связь между величиной интервала крнсталлнзации сплава и его склонностью к образованию трещин при затрудненной усадке?
Какое влияние оказывает пластичность сплавов в эффективном интервале кристаллизации на их склонность к образованию трещин?
Какие технологические пробы используют для определения склонности сплавов к образованию трещин при затрудненной усадке?
В чем заключается сущность определения склонности сплавов к образо- ванию ктрещин по методам А. А. Бочвара и 3. А. Свидерской, С. И. Спекторовой и А. А. Лебедева, Н. А. Трубицина?
Что является показателем склонностн к образованию трещин при использовании различных технологических проб?
ГЛАВА 5. ЗАТВЕРДЕВАНИЕ ОТЛИВОК
Работа 26
ВЛИЯНИЕ СКОРОСТИ ОХЛАЖДЕНИЯ СПЛАВА НА РАЗМЕР ЕГО ДЕНДРИТНОЙ ЯЧЕЙКИ
Общие сведения
Свойства сплава в отливках зависят от его внутреннего строения, размеров, формы и взаимного расположения отдельных кристаллов. При переходе из жидкого состояния в твердое образуются усадочные раковины и пористость, происходит выделение газов, протекают ликвационные процессы, формируется первичная структура, которая является окончательной в отливках из сплавов, не имеющих превращений в твердом состоянии. В сплавах, претерпевающих такие превращения, первичная литая структура оказывает большое влияние на окончательную структуру и свойства отливок.
Процесс кристаллизации определяется свойствами сплава (теплопроводность, теплоемкость), положением на диаграмме со- 134
стояния, условиями завивки, различными воздействиями на кристаллизующийся сплав, условиями охлаждения. Все эти факторы определяют последовательный (по фронту) или объемный переход жидкой фазы в твердую.
Сплавы, затвердевающие при постоянной температуре или в узком температурном интервале, кристаллизуются последовательно (см. рис. 46). Твердая фаза нарастает от стенок формы к центру отливки по мере снижения температуры. Эти сплавы склонны к образованию обширной зоны столбчатых кристаллов в отливках. Сплавы же с широким интервалом кристаллизации затвердевают обычно объемно. В этом случае зарождение и рост кристаллов возможны во всей области (см. рис. 47), где сосуществуют твердая и жидкая фазы. Такие сплавы образуют равноосные кристаллы в отливках.
В период затвердевания отливки условия охлаждения ее различных зон меняются, поэтому структура этих зон может быть различной.
Мелкие, беспорядочно ориентированные кристаллы обеспечивают высокие эксплуатационные свойства отливок, равномерность этих свойств в различных сечениях. Только в некоторых специальных областях предпочтительным является применение отливок со столбчатой структурой (постоянные магниты). Поэтому состав сплавов и технологию их обработки выбирают преимущественно таким образом, чтобы получать в отливках мелкозернистую равноосную структуру.
Сплавы в отливках всегда кристаллизуются неравновесно из-за неполного диффузионного массопереноса в расплаве и почти полного отсутствия массопереноса в кристаллах. В этих условиях имеет место дендритная кристаллизация, когда кристаллы приобретают разветвленную форму, часто напоминающую ствол дерева с ветвями. На металлографическом шлифе, плоскость которого расположена произвольно по отношению к направлению стволов и ветвей дендритов, случайные сечения этих стволов и ветвей выглядят как ячейки. Эти ячейки, называемые дендритными, выявляются на шлифах благодаря локальным различиям состава, т. е. дендритной ликвации. Если сплав представляет собой однородный твердый раствор, то ячейки занимают все поле шлифа. Если в сплаве имеется эвтектическая составляющая, дендритные ячейки разделены полями эвтектики. Увеличение скорости охлаждения при кристаллизации сплавов всегда вызывает измельчение дендритной ячейки. Это происходит в результате следующих обстоятельств.
Рост кристаллов сплавов при обычных скоростях охлаждения, не превышающих 104 °С/с, происходит за счет диффузионного массопереноса в расплаве, который определяется площадью поверхности кристалла, коэффициентом диффузии в расплаве, градиентом концентрации компонентов в слое расплава около растущего кристалла. При увеличении скорости охлаждения должно
происходить увеличение массы вещества, кристаллизующегося в единицу времени, соответственно возросшему количеству теплоты, отводимой от расплава. Коэффициент диффузии постоянен для заданной температуры, поэтому необходимое для развития кристаллов увеличение массы вещества может быть достигнуто за счет роста площади поверхности кристаллов и увеличения градиента концентрации в слое расплава около кристалла.
Обе эти возможности реализуются при более частом расположении ветвей на стволах дендритов. В структуре эти изменения проявляются как измельчение дендритной ячейки. Расчеты по описанному механизму дают следующую зависимость размера дендритной ячейки d от скорости охлаждения и в интервале кристаллизации: cfo0^0-3 = А. Коэффициент А зависит от концентрации легирующего компонента в сплаве, коэффициента распределения этого компонента, коэффициента диффузии. Действие указанной зависимости наблюдается в очень широком диапазоне скоростей охлаждения, примерно от 10~8 до 103 °С/с. При очень малых скоростях охлаждения диффузионный массоперенос перестает быть «узким местом» процесса. В этих условиях образуется плоский фронт кристаллизации и формально d стремится к бесконечности. При очень больших скоростях охлаждения изменяется сущность процесса; кристаллизация становится недендритной, затем начинается образование аморфного металла. Практически размер дендритной ячейки изменяется от 0,5—1 мм в массивных сечениях крупных отливок до 3—5 мкм в поверхностных слоях мелких отливок, получаемых в металлических формах.
Оборудование, инструмент и материалы
Плавильная печь с рабочей температурой до 900 °C, металлографический микроскоп, полировальные круги, приборы для записи показаний термопар со скоростью движения ленты не менее 0,5 см/с; хромель-алюмелевые термопары из проволоки диаметром 0,3—0,5 мм, изложницы с поддоном для получения цилиндрических слитков диаметром 35—40, высотой до 150 мм, модели указанных размеров для изготовления песчаной формы, опоки, плавильный и формовочный инструмент, ножовка, напильники, шлифовальная шкурка, первичный алюминий, лигатура алюминий—медь (50 : 50), вата, металлографические реактивы для травления алюминиевых сплавов на микроструктуру, спецодежда, рукавицы, прозрачные лицевые щитки.
Порядок проведения работы
Работа рассчитана на 4 ч.
Рассчитать потребное количество алюминия и лигатуры для получения 1,5—2 кг сплава. Состав сплава задается преподавателем.
Загрузить шихту в тигель, поставить тигель в печь и довести температуру расплава до 700 °C.
136
Изготовить песчаную форму по модели для получения отливки в виде цилиндра.
Собрать и подогреть металлическую изложницу до 80 °C.
Установить термопару с обнаженным горячим спаем в песчаной форме и изложнице. Спай должен находиться примерно в центре сечения на половине высоты полости формы.
Подсоединить термопары к самопишущим потенциометрам, включить движение ленты прибора.
Залить обе формы расплавом.
Тигель с оставшимся расплавом поместить обратно в отключенную печь, погрузить в расплав горячий спай термопары, подсоединенной к самопишущему потенциометру.
После достижения температуры (по показаниям приборов) 300—400 °C отсоединить термопары от приборов, извлечь отливки из форм и металл из тигля и дать им охладиться до нормальной температуры.
Вырезать куски диаграммной ленты с записью кривых охлаждения.
Разрезать отливки и металл из тигля по месту расположения горячего спая термопары, вырезать образцы около горячего спая размером 15X15X15 мм.
Зачистить на образцах площадку размером 10X10 мм, обработать ее напильниками и шлифовальной шкуркой, отполировать поверхность на полировальном круге.
Протравить шлиф до выявления дендритной структуры.
Результаты наблюдений и их обработка
По приведенным ниже данным определить температуры ликвидуса и солидуса исследуемого сплава:
Содержание Си, % по массе Температура ликвидуса, °C Температура солидуса, °C .Содержание Си, % по массе Температура ликвидуса, °C Температура солидуса, °C .258101520653647633627610590614570548548548548258101520653647633627610590614570548548548548
Содержание Си, % по массе Температура ликвидуса, °C Температура солидуса, °C .
Содержание Си, % по массе Температура ликвидуса, °C Температура солидуса, °C .
258101520
653647633627610590
614570548548548548
258101520
653647633627610590
614570548548548548
По кривым охлаждения, записанным на диаграммной ленте, определить с учетом скорости движения ленты скорости охлаждения сплава в интервале кристаллизации при литье в металлическую и песчаную формы и при кристаллизации металла в печи.
На микроскопе с помощью объект-микрометра и окуляра с сеткой определить средний размер дендритной ячейки в полученных образцах сплава по 30—50 измерениям.
Провести статистическую обработку результатов измерения дендритной ячейки. Рассчитать дисперсию и найти доверительный интервал при вероятности 0,95, оценить относительную погрешность измерений.
Содержание отчета
Краткое изложение теории.
Методика проведения работы.
Результаты определения размера дендритной ячейки и скоростей охлаждения сплава.
Графические зависимости d от v в простой и логарифмической форме.
Фотографии (рисунки)’ микроструктур.
Выводы.
Контрольные вопросы
Что называется дендритной ячейкой?
Как выявляют дендритные ячейки?
Как влияет скорость охлаждения при кристаллизации сплава на размер дендритной ячейки?
Каков приблизительно размер дендритной ячейки при скоростях охлаждения от 1 до 10°С/с?
Влияет ли размер дендритной ячейки на механические и эксплуатационные свойства литого сплава?
Можно лн по размерам дендритных ячеек установить, откуда взяты образцы— из поверхностных слоев отливкн или из центральной зоны сечения?
Как изменяется размер дендритной ячейки в сплавах одной системы при увеличении содержания легирующего компонента, если скорость охлаждения постоянна?
Почему при одинаковой скорости охлаждения в процессе кристаллизации размер дендритных ячеек в сплавах разных металлов почти одинаков?
Работа 27
ВЛИЯНИЕ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ
ФОРМОВОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ НА СКОРОСТЬ ЗАТВЕРДЕВАНИЯ ОТЛИВКИ
Общие сведения
Затвердевание отливки представляет собой очень сложный процесс. Во время затвердевания происходит переход расплава из жидкого состояния в твердое, при этом формируется структура (размер, форма и взаимное расположение кристаллитов), происходят сложные диффузионные, конвективные и усадочные явления. Металлический расплав, залитый в литейную форму, постепенно охлаждается. Достигнув температуры ликвидуса, он начинает кристаллизоваться. Первые кристаллы появляются на поверхности, затем кристаллизация происходит в более глубинных слоях. Толщина затвердевшего слоя постепенно растет, пока кристаллизация не завершится в центре отливки.
В случае использования чистых металлов и сплавов, кристаллизующихся при постоянных температурах, в затвердевающей отливке имеется четкая граница между твердой фазой и жидким расплавом. Затвердевание отливок из сплавов, кристаллизу- 138
ющихся в интервале температур, происходит с образованием двухфазной области, которая по мере охлаждения перемещается от поверхности к центру отливки. Ширина двухфазной области зависит от градиента температур по сечению отливки и величины интервала кристаллизации сплава. Интенсивность теплового взаимодействия формы и металла отливки определяет скорость перемещения фронта кристаллизации или двухфазной области и нарастания твердой корки.
В начальной стадии затвердевания температурный градиент между отливкой и формой и скорость охлаждения максимальны, поэтому скорость нарастания слоя твердого металла имеет наибольшее значение. В последующие моменты вследствие прогрева литейной формы скорости охлаждения и соответственно затвердевания постепенно убывают.
Кинетику затвердевания обычно характеризуют изменением толщины слоя затвердевшего сплава во времени. При затвердевании плоских отливок в песчаных формах эта зависимость характеризуется законом квадратного корня
б = К^, (1)
где 6 — толщина слоя затвердевшего металла, м; т3 — время с момента начала затвердевания, с; К — коэффициент затвердевания, м/с1/2.
Коэффициент затвердевания К зависит от теплофизических свойств сплава и литейной формы. В случае заливки сплава в литейную форму без перегрева он может быть вычислен по формуле
К = ^Ф ^кр ^н- ф) ^2) V л Рм^-м
где Ьф — коэффициент аккумуляции теплоты формы, Вт • с1/2/(м2 • К) i /кр — температура кристаллизации, °C; /н. ф — начальная температура формы, °C; рм — плотность жидкого металла, кг/м8- LM — удельная теплота кристаллизации металла, Дж/кг.
В реальных условиях расплав заливают в форму с некоторым перегревом, и затвердевание отливки может происходить со скоростью, которая существенно отличается от определяемой уравнениями (1) и (2). Более точное решение задачи может быть получено с помощью ЭВМ.
Математическое описание процесса. Расплав, залитый в литейную форму с перегревом, вначале охлаждается, затем затвердевает. Считая, что охлаждение расплава и затвердевание сплава протекают последовательно, вначале решаем задачу отвода теплоты перегрева, затем — теплоты кристаллизации. Для упрощения расчетов рассмотрим затвердевание плоской отливки из чистого металла, кристаллизующегося при постоянной температуре без переохлаждения, не учитывая также перепада температур по толщине затвердевшей корки и считая контакт отливки с литейной формой идеальным (без газового зазора).
На первом этапе при остывании расплава отводится теплота > перегрева
Спер = смРм (^зал ^м) F$о>(3)
где см — теплоемкость жидкого металла, Дж/(кг-К); рм — плотность жидкого металла, кг/м8; 4ал — температура заливаемого металла, DC; tM — текущая температура жидкого металла, °C; F — площадь поверхности контакта отливки с литейной формой, м2; s0 — толщина плоской отливки, м.
Литейная форма аккумулирует теплоту, количество которой может быть определено по распределению температуры в ее слоях;
Сф ~ 2j СфРфР (tj пер tj нач) ДХф,(4)
где <?ф — теплоемкость формы, Дж/(кг-К); Рф — плотность формы, кг/м3; tj пер — текущая температура /-го слоя формы на этапе отвода теплоты перегрева, °C; 1,Нач — начальная температура /"-го слоя формы, °C; Ахф — толщина слоев формы, на которые условно она расчленена, м.
При двустороннем охлаждении плоской отливки в любой момент времени справедливо равенство Qnep = 2^ф. Из этого соотношения с учетом формул (3) и (4) можно найти
п
^м = ^зал Pi ^S^ (tj tj нач)>(5)
где р^ 2<?фрф Ахф/(смрм$0).
Температура tM постепенно уменьшается до температуры кристаллизации металла /кр. Равенство tM = ZKp наступает при полном отводе теплоты перегрева. Время от начала остывания расплава до этого момента равно времени протекания первого этапа Tj.
На втором этапе теплота, отводимая от отливки в период затвердевания, пропорциональна толщине затвердевшей корки металла;
Сзатв = LpMF^.
При этом аккумулированное формой количество теплоты
^Ф СфрфР АХф (tj кр - tj ок),
где tj кр — текущая температура /-го слоя формы в период отвода теплоты кристаллизации, °C; tj ок — температура /-го слоя формы в момент окончания отвода теплоты перегрева и начала затвердевания, °C.
Из условия теплового баланса Q3aTB = Q$ следует
6 — Ра ^2j (tj кр tj Ок)>(6)
где р2 £фРф Ахф/(рмД).
Таким образом, для определения продолжительности отвода теплоты перегрева достаточно установить текущие значения температуры в слоях формы ^пер и вычислить по формуле (5) значение tM последовательно для каждого интервала времени т + Ат до момента установления равенства /м = /кр. При расчете кинетики нарастания твердой корки по формуле (6) также необходимо предварительно установить значения tjKp. Распределение температуры в слоях формы описывается уравнением теплопроводности Фурье, которое при одномерном тепловом потоке, соответствующем условиям прогрева песчаной формы от плоской отливки, имеет вид
дтдх2 ’
где ?х — температура в сечениях формы на расстоянии от поверхности контакта с отливкой, °C; т — время, с; аф — температуропроводность материала формы, м2/с.
Процесс охлаждения отливки в форме является нестационарным. Для таких условий уравнение теплопроводности не имеет точного аналитического решения, поэтому его решают численным методом. При численном методе сечение формы условно разбивают на п слоев толщиной Ахф, а время т — на интервалы Ат, частные производные заменяют конеНно-разносгными соотношениями
V—^Т'— »■£—^-«»..-»,.,+^а
и из уравнения (7) получают для каждого слоя следующее соотношение’
к м = к t+(^, - 2к i+а. (8)
где tj, t+i и tj, t — температуры в /-м слое формы в моменты времени тг+1 и тг соответственно, °C; tj_T и ^+i — температуры в (/ — 1)-м и (/ + 1)-м слоях формы в момент времени тг, °C.
Таким образом, вместо уравнения (7) получают систему из п (соответственно числу слоев формы) уравнений типа (8).
Расчет по формуле (8) обеспечивает устойчивое решение при условии
М = ДФД? < 1/2.(9)
АХф
Принимая М = 1/2 из (8) получаем
^M = (^-i,i + G+i,0/2-(Ю)
Равенство (10) справедливо для всех слоев формы, кроме первого. Температуру первого слоя kuii учитывая, что центр его 141
Рис. 53. Блок-схема алгоритма расчета процесса затвердевания отливкиРис. 53. Блок-схема алгоритма расчета процесса затвердевания отливки
Рис. 53. Блок-схема алгоритма расчета процесса затвердевания отливки
Рис. 53. Блок-схема алгоритма расчета процесса затвердевания отливки
отстоит от границы контакта, температура которой /к, на расстоя нии Лхф/2, находят по формуле
/1, !+1 —/1, !+1 —/к + (G, i + А, 0/2/к + (G, i + А, 0/222(Н)(Н)
/1, !+1 —
/1, !+1 —
/к + (G, i + А, 0/2
/к + (G, i + А, 0/2
2
2
(Н)
(Н)
где /2, f — температура второго слоя формы в момент времени ть °C.
Из граничных условий IV рода (тепловой поток, подводимый к контактной границе со стороны металла отливки, равен тепловому потоку, отводимому от этой границы в сторону формы) имеем
4 . /м (/1, i ~Ь А, г) Ьф/(2ЬМ)/1О\
где Ьф и Ьм — коэффициенты аккумуляции теплоты для материала формы и металла отливки, Вт-с1/2/(м2-К).
Таким образом, по известным температурам /аал и /н. ф = = ^нач. толщине отливки и свойствам заливаемого металла и материала формы вначале по формулам (10)—(12) рассчитывают распределение температуры в форме (/„, ti, i+1, tj, м), затем по формулам (5) и (6) — /м и 6. На первом этапе /м является величиной переменной, на втором — она постоянна и равна /кр. Алгоритм расчета наглядно демонстрирует блок-схема (рис. 53). На ней можно выделить три части. Первая включает блоки: описания переменных, используемых в последующих расчетах, и массива температур tj во всех сечениях формы (для j = 1 ... п) (блок 1); ВВОДа ИСХОДНЫХ данных Рм, См, Ам, рф, Ьф, Ьм, /кр, /зал, /н. ф, 8а и Ат (блок 2); предварительного расчета рт и р2 по формулам (5) и (6), а также Ахф по выражению (9), из которого следует, что
Ахф = ]/2йф Ат (блок 3); задания начальных условий (блоки 4 и 5) и вывода на печать начальных значений т, 6, /м и tj (блок 6). При вводе Ат необходимо исходить из того, что продолжительность выдержки металла в форме при эксперименте задается от 10 до 50 с с интервалом 5—10 с. Поэтому удобно задать Ат равным 2,5; 1,0; 0,5; 0,25 с и т. д. При меньшем значении Ат повышается точность расчета, но увеличивается объем выполняемых вычислительных операций.
Вторая часть включает блоки 7—10 для расчета продолжительности отвода теплоты перегрева. Для задаваемого текущего времени т + Ат (блок 7) последовательно вычисляют значения /„, /ъ tj и tM (блок 8), фиксируют их выводом на печать (блок 9), затем проверяют условие окончания первого этапа (блок 10). Если температура жидкого металла превышает температуру его кристаллизации, то процедуру расчета /к, 1Ъ tj и /м повторяют. Расчет первого этапа завершается при /м <С /к₽-
Третья часть блок-схемы включает блоки 11—15 для расчета толщины твердой корки, образующейся на поверхности формы. Для этого вначале задают постоянство температуры металла (блок //), затем для задаваемого текущего времени ф + Ат (блок /2) рассчитывают значения /к, ti, tj и 6, используя соответственно формулы (12), (11), (10) и (6). Полученные результаты фиксируют выводом на печать (блок 14), и процедуру расчета повторяют до выполнения условия его окончания ф > фок (блок 15), где Ток — время окончания численного эксперимента, равное максимальной продолжительности выдержки металла в форме в эксперименте, с.
Алгоритм расчета, приведенный на блок-схеме, может быть реализован как на ЭВМ, так и с использованием электронных калькуляторов.
Оборудование, инструмент и материалы
Печь для плавки металла, графитошамотные тигли, гальванометр с хромель-алюмелевой термопарой, секундомеры, модельные комплекты, набор плавильного, формовочного и измерительного инструмента, металлический штырь диаметром 10—20, длиной 500—1000 мм, формовочная смесь, сухие стержни размером 100 X X 100 X 30 мм из смесей с различными теплофизическими свойствами (например, из песчано-глинистой, хромомагнезитовой), металлические холодильники размером 100x100x50 мм, алюминий первичный марки не ниже А85 (ГОСТ 11069—74), хлористый марганец или гексахлорэтан для рафинирования жидкого алюминия, спецодежда.
Порядок проведения работы
Работа рассчитана на 6 ч.
Работа состоит из экспериментальной и расчетной частей. Экспериментальная часть заключается в определении скорости
Рис. 54. Форма для определения скорости затвердевания металла методом выливания:
/ — полость для слива металла; 2—4 —* стержни с различными тепло физическими свойствами
нарастания слоя затвердевшего металла методом выли- вания. Для этого изготовляют литейную форму, полость которой собрана из стержней с различными теплофизическими свойствами (рис. 54). Форму заливают расплавом, минимально перегретым над температурой ликвидуса. С момента окончания заливки от
считывают заданное время выдержки, по истечении которого штырем пробивают перегородку из сырой формовочной смеси, отделяющей полость формы от резервуара под ней. Незатвердевшая часть металла стекает вниз, и нарастание стенок отливки прерывается. Слой затвердевшего металла замеряется, и по результатам нескольких экспериментов строят графическую зависимость.
Расчетная часть заключается в моделировании на ЭВМ процесса теплового взаимодействия отливки с формой и определении на основе теплового баланса изменения толщины затвердевшей корки при выдержке жидкого металла в форме.
Порядок проведения экспериментальной части работы (2 ч). 1. В электрической печи приготовить расплав первичного алюминия. При температуре 700—720 °C отрафинировать его хлористым марганцем или гексахлорэтаном (0,1-—0,15 % по массе).
Изготовить литейную форму в двух одинаковых опоках высотой 100 мм (см. рис. 54). В верхней опоке заформовать куб размером 100x100x100 мм, который образует соответствующую полость. Боковые стенки полости выполнить из материалов с различными теплофизическими свойствами: металлического холодильника, сухих стержней и сырой формовочной смеси. В нижней опоке изготовить вспомогательную часть формы, в которой выполнить полость размером 100x100 x 80 мм, служащую впоследствии резервуаром для слива остатка жидкого металла из верхней части формы.
Затвердевание отливки-куба на начальных этапах происходит с образованием плоского фронта кристаллизации вдоль боковых стенок полости формы. Нарастание твердой корки поэтому происходит, как в плоской отливке.
Залить формы расплавом, перегретым на 10—15 °C выше температуры кристаллизации (4ал = 6704-675 °C). После окон-
чания заливки через заданный промежуток времени (10, 15,20. ... 50 с) слить незатвердевший жидкий металл из верхней полости во вспомогательный резервуар. Для этого металлическим стержнем, предварительно подогретым в тигле с расплавом, пробить дно полости формы.
Затвердевшую отливку из верхней части формы выбить и охладить. Затем замерить толщину стенки отливки в центре каждой грани и занести результаты в таблицу.
Порядок проведения расчетной части на ЭВМ (4 ч). 1. Подготовить исходные данные: рм, см, £м, 6М, рф, сф, Ьф, Тзал, Тар, Тв. ф и s0.
Задать величину Ат и установить требуемое значение т„.
Изучить на дисплее ЭВМ программу расчета нарастания твердой корки при затвердевании плоской отливки в песчаной форме.
Ввести исходные данные в ЭВМ.
Рассчитать температурное поле формы и отливки, толщину твердой корки 6 для всех интервалов времени.
Записать полученные расчетные значения в рабочий журнал.
Результаты наблюдений и их обработка
Экспериментальные данные, полученные при определении тол
щины затвердевшего слоя металла, занести в таблицу и построить
Время эксперимента, с
Литейная форма
в;
св
«й
3 "
к та
х и
>> <и о к
S а та х S °
X У
0
10
20
25
45 (50)
0
0
0
0
соответствующие графические зависимости 6 = f (т) для различных материалов формы.
По экспериментальным данным вычислить ряд значений коэффициента затвердевания, определить среднее значение к, рассчитать дисперсию и найти доверительный интервал при вероятности 0,90 для одного из материалов по указанию преподавателя.
Вычислить коэффициенты затвердевания для различных материалов по формуле (2) и
сравнить их с экспериментально полученными. При расчетах принять плотность жидкого алюминия равной 2400 кг/м3, а удельную теплоту кристаллизации равной 401 кДж/кг. Коэф
фициенты аккумуляции теплоты формы Ьф из различных мате
риалов приведены ниже:
Материал Сыраяформа Сухой стержень Магнезит Чугун
6ф, Bt-cV,/(m2-K)1150950360014 000
145
Материал формы
1, °C, слоя
Число итераций N
Время т — Л7 Дт
первого
третьего
ПЯТОГО
6, мм
0
1
0
10
20
20
20
0
N
Тк
Рассчитанные на ЭВМ значения температуры ряда слоев формы, расплава и толщины затвердевшего слоя представить в виде таблицы или соответствующей распечатки.
Построить графические зависимости 6 = / (т), сопоставить их с экспериментальными результатами и объяснить возможные расхождения результатов.
Содержание отчета
Цель работы.
Краткое описание расчетной части.
Методика проведения опытов.
Таблицы экспериментальных и расчетных данных.
Графики.
Результаты вычисления коэффициентов затвердевания и их сопоставление с экспериментальными данными с объяснением причин расхождения.
Выводы.
Контрольные вопросы
Что понимается под законом квадратного корня в учении о затвердевании отливок?
Что такое теплоаккумулирующая способность формы?
При каких условиях затвердевания строго выполняется закон квадратного корня?
Как экспериментально определяют коэффициент затвердевания?
В чем сущность описанного в работе метода расчета процесса охлаждения расплава и затвердевания отливок?
Как устроена литейная форма для исследования кинетики затвердевания в данной работе?
РАЗДЕЛ III
ПРОИЗВОДСТВО отливок из СПЛАВОВ
НА ОСНОВЕ ЖЕЛЕЗА
ГЛАВА 6. ПЛАВКА, РАФИНИРОВАНИЕ И МОДИФИЦИРОВАНИЕ ЧУГУНА
В последние годы для плавки чугуна все более широкое применение находят индукционные печи. Основными преимуществами использования индукционной плавки являются следующие: расширение возможности получения высококачественных чугунов, обеспечение точного химического состава, низкого угара элементов, повышение однородности чугуна благодаря электродинамическому перемешиванию, обеспечение оптимальных условий модифицирования, использование более дешевых шихтовых материалов, улучшение условий труда в плавильных отделениях, уменьшение вредных выбросов в атмосферу.
В современных чугунолитейных цехах чаще всего применяют индукционные тигельные печи промышленной частоты. Высокая производительность печей и эффективное использование электроэнергии достигается при плавке на «болоте», когда после каждого выпуска жидкого металла в печи оставляют 30—40 % расплава и в него загружают соответствующее количество твердой шихты.
Надежная эксплуатация индукционных печей в значительной степени зависит от стойкости футеровки тигля, которая испытывает термические, химические и механические воздействия. Для изготовления тиглей применяют кислую сухую массу из молотых кварцитов или высококремнеземистых песков (более 97 % SiO2). Для спекания футеровки добавляют 1,5—2,0 % борной кислоты. При этом стойкость тигля для печей вместимостью 6—10 т составляет 250—300 плавок. В ряде случаев для изготовления тиглей используют нейтральные огнеупорные массы на основе дистенсиллиманита или муллитокорунда. Полагают, что несмотря на относительно высокую стоимость, они обеспечивают меньший угар легирующих элементов, высокую и надежную стойкость футеровки и снижение себестоимости жидкого чугуна. Высокоглиноземистая набивная футеровка состоит из 35—40 % электро- плавленого корунда, 60—65 % дистенсиллиманита и 1,0—1,5 % борной кислоты. На стойкость тигля влияют также технология подготовки, уплотнения и спекания футеровочной массы, сушки и условия эксплуатации тигля.
Угар (—) и пригар (+) элементов при различном перегреве и выдержке IУгар элементов, %Угар (—) и пригар (+) элементов при различном перегреве и выдержке IУгар элементов, %Для плавки в индукционных печах можно использовать любые шихтовые материалы, включая легковесные составляющие (листовую высечку, обрезь, стружку), переплав которых в других печах сопровождается высоким угаром. Особенность индукционной плавки заключается в отсутствии контакта металла с теплоносителем, возможности регулирования температуры и выдержки расплава, простоте введения различных добавок. Тем не менее в тигельных печах имеют место реакции взаимодействия металла с футеровкой, шлаком, атмосферой, что приводит к изменению его химического состава. Прохождение этих реакций интенсифицируется при электромагнитном перемешивании металла. Угар основных элементов чугуна при различном перегреве и выдержке металла в печах вместимостью 6—8 т с кислой футеровкой приведен в табл. 16.
Угар (—) и пригар (+) элементов при различном перегреве и выдержке IУгар элементов, %
Угар (—) и пригар (+) элементов при различном перегреве и выдержке IУгар элементов, %
Важной операцией при получении синтетического чугуна на базе шихты из стальных отходов является процесс науглероживания. На этот процесс существенно влияют интенсивность перемешивания, температура, качество и состав карбюризатора, а также концентрация кислорода в расплаве. Науглероживание сопровождается восстановлением оксидов, находящихся в расплаве, уменьшением угара элементов, содержания газов, износа футеровки. В практике литейного производства наилучшие результаты по степени усвоения в жидком металле (90—95 %) показывают гранулированный графит, электродный порошок и стружка.
Работа 28
ОЦЕНКА СТРУКТУРЫ ЧУГУНА отливок
Общие сведения
Чугун — это многокомпонентный сплав железа с углеродом, характеризующийся эвтектическим превращением. Его строение, а следовательно, и механические свойства определяются многочисленными факторами. Наибольшее влияние оказывает состав сплава, т. е. содержание элементов, постоянно присутствующих в чугуне (С, Si, Мп, S, Р), легирующих элементов, случайных примесей. Однако для формирования структуры чрезвычайно важны скорость охлаждения, термовременная обработка (перегрев и время выдержки), модифицирование и другие виды внепечной обработки сплава. Связь структуры и механических свойств чугуна наглядно отражена на структурных диаграммах, характеризующих, как правило, неравновесные условия формирования внутреннего строения сплава (микроструктуру).
Возможность формирования разнообразных структур при кристаллизации и последующем охлаждении вытекает уже из рассмотрения диаграмм фазового равновесия железо—графит и железо—цементит (рис. 55). Характер эвтектического превращения определяет формирование высокоуглеродистой фазы. Распад эвтектической жидкости на аустенит (А) и графит (Г) или на аустенит и цементит (Ц) определяет получение качественно разных сплавов: серого и белого чугунов соответственно. Возможно также формирование половинчатых чугунов, когда часть высокоуглеродистой фазы представляет графит, а часть цементит. Ход эвтектической
реакции, главным образом ее продолжительность, определяет количество, размеры, форму и взаимную ориентацию графита, размеры эвтектической ячейки. Форма и взаимная ориентация
графита не могут быть обработки.
Характеристики и
методы определения структуры чугуна конструкционного назначения приведены в ГОСТ 3443—77 (табл. 17).
На высоколегированный чугун стандарт не распространяется.
изменены никакими видами термическойизменены никакими видами термическойРис. Б5. Диаграмма состояния железо—углерод149Рис. Б5. Диаграмма состояния железо—углерод149Для описания графита на нетравленом шлифе при стократном увеличении оценивают форму, распределение, размеры и количество графита (табл. 18, 19).
изменены никакими видами термической
изменены никакими видами термической
Рис. Б5. Диаграмма состояния железо—углерод
149
Рис. Б5. Диаграмма состояния железо—углерод
149
Структурная
-составляющая
Оцениваемый параметр
Условное обозначение
Графит
Металлическая основа
Перлит (или феррит)
Перлит
Цементит (или цементит ледебурита)
Фосфидная эвтектика
Форма включений Размер включений
Распределение включений Количество включений
Вид структуры:
феррит
перлит пластинчатый перлит зернистый троостит
бейнит
мартенсит Количество
Дисперсность
Количество включений
Площадь включений
Строение:
псевдодвойная — фосфид и феррит псевдодвойная — фосфид и цементит тройная мелкозернистая
тройная игольчатая
тройная и пластины цементита
Размер ячеек сетки
Площадь включений
Распределение
гф,
Грав и средний размер (длина или диаметр) включений графита, мкм
Гр
Г и средняя площадь, завитая графитом на микрошлнфе, %
Фе
Пт1
Пт2
Т
Б
М
П (или Фе) и средняя площадь, занятая этими составляющими на микрошлифе, %
Пд н среднее расстояние между пластинами цементита, мкм
Ц и средняя площадь, занятая цементитом на микрошлифе, % Цп и средняя площадь изолированных включений цементита, мкм2
Ф1
Ф2
ФЗ
Ф4
Ф5
Фраз и средний диаметр ячеек и сетки, мкм
Фп и средняя площадь изолированных включений, мкм?
ФР
Таблица 17
Структурные составляющие и их характерные особенности
Необходимость и важность предусматриваемой ГОСТом классификации графита обусловлены значительным его влиянием на прочность и пластичность сплава. Это влияние сказывается на ослаблении поперечного сечения металлической основы и надрезывающего эффекта. Отрицательное влияние графита тем ниже, чем меньше его количество, размеры отдельных включений и чем больше их форма приближается к шаровидной. Чугун, характеризующийся высокой циклической вязкостью, менее чем сталь чувствителен к надрезам.
Обозначение
Длина включений графита, мкм
Диаметр включений графита, мкм
Грав 15
До 15
До 15
Граз25
Св. 15 до 30
Св. 15 до 30
Грав45
»30 »60
» 30 » 60
Грав90
»60 » 120
» 60 » 120
Грав 180
»120 » 250
» 120 » 250
ГравЗбО
» 250 » 500
» 250 » 500
Граз750
» 500 » 1000
—
Грав 1000
» 1000
—
Таблица 18
Размер включений графита в структуре чугуна
Обозначение
Площадь занятая графитом.
%
Г2
До
3
Г4
Св.
3 до
5
Гб
»
5 »
8
ПО
»
8 »
12
Г12
»
12
Таблица 19
Количество графита в структуре чугуна
Обозначение
Площадь, занятая перлитом, %
Обозначение
Площадь, завитая перлитом, %
п
Св. 98
ФеО
До 2
П96
» 94 до 98
Фе4
Св. 2 до 6
П92
» 90 » 94
Фе8
»6 » 10
П85
» 80 » 90
Фе15
» 10 » 20
П70
» 60 » 80
ФеЗО
» 20 » 40
П45
» 30 » 60
Фе55
» 40 » 70
П20
» 10 » 30
Фе80
» 70 » 90
П6
»2 » 10
Фе94
» 90 » 98
ПО
» 2
, Фе
» 98
Металлическая основа структуры чугуна
Таблица 20
Структура чугуна окончательно формируется при эвтектоидном превращении. В сером чугуне к этому моменту сохраняются аустенит и графит, образовавшийся при эвтектическом превращении, а также выделившийся из аустенита вследствие уменьшения растворимости углерода при охлаждении. Эвтектоидное превращение (распад аустенита) также зависит от вида высокоуглероди-
Обозначение
Расстояние между пластинами цементита, мкм
Пд0,3
До 0,3
Пд0,5
Св. 0,3 до 0,8
пд1,0
» 0,8 » 1,3
Пд1,4
» 1,3 » 1,6
Пд1,6
» 1,6
Таблица 21
Степень дисперсности пластинчатого перлита в структуре чугуна
Размер ячеек сетки фосфидной эвтектики
Обозначение
Диаметр ячеек сетки, мкм
Фраз250 Фраз400 Фраз®® Фраз Ю00 Фраз 1250
До 250
Св. 250 до 500
» 500 » 750 » 750 » 1250
> 1250
Площадь включений фосфидной эвтектики
Обозначение
Площадь наибольших включений, мкма
Фп2000
До 2000
Фп6000
Св. 2 000 до 10 000
Фп 13000
» 10 000 » 16 000
Фп20000
» 16 000 » 25 000
Фп25000
» 25 000
стой фазы (графит или цементит) и определяет строение металлической матрицы (основы) чугуна.
В случае образования ферритно-графитного эвтектоида общая степень графитизации возрастает. Если же эвтектоид представляет смесь феррита и цементита (перлит), вторая стадия графитизации не протекает. Режим охлаждения отливки после ее затвердевания в форме, а также в процессе термической обработки обусловливает природу металлической матрицы, которая может представлять перлит разной дисперсности: зернистый перлит, троостит, бейнит, мартенсит. Металлическую матрицу согласно ГОСТ 3443—77 описывают по травленым шлифам (табл. 20—23).
Оборудование, инструмент и материалы
Металлографические микроскопы МИМ-7 или МИМ-8, микротвердомер ПМТ-3, оборудование и материалы для приготовления металлографических шлифов, образцы чугунов различных составов и способов получения, реактивы для травления образцов.
Порядок проведения работы
Работа рассчитана на 4 ч.
Изучить оборудование и приборы, необходимые для выполнения работы, инструкции по их эксплуатации, технику безопасности.
Из отливок, приливов к ним или из специально отлитых брусков, используемых при изготовлении образцов для механических испытаний, изготовить образцы для приготовления шлифов и определения структуры. Они должны быть таких размеров и сечений, чтобы представление о структуре чугуна было полным.
Приготовить шлифы, изучить форму, размер, характер распределения графитовых включений (на нетравленых шлифах) с помощью МИМ-7 при увеличении в 100 раз. Поверхность шлифа должна быть зеркальной, без следов (рисок) от промежуточных операций шлифования и полировочного материала, оксидов и других загрязнений.
Изучить микроструктуру металлической основы после травления шлифа 4 %-ным раствором азотной кислоты в спирте. Определить количество перлита и феррита, дисперсность перлита и описать структуру металлической основы по ГОСТ 3443—77. Количество перлита или феррита определять не менее чем в трех полях зрения и оценивать по среднему значению площади, занятой этими структурными составляющими на шлифе (см. табл. 20).
Определить дисперсность пластинчатого перлита по среднему расстоянию между пластинами цементита (см. табл. 21). Измерять это расстояние нужно в зернах перлита наибольшей дисперсности, где пластины цементита расположены перпендикулярно к плоскости шлифа.
Измерить микротвердость основных структурных составляющих чугуна (феррита и перлита).
Микротвердость определять на приборе ПМТ-3 путем вдавливания алмазной пирамидки с углом при вершине, равным 60°, в исследуемую структурную составляющую чугуна при определенной нагрузке.
Измерение микротвердости позволяет идентифицировать фазы, строение и окраска которых на шлифе одинаковы (близки), так как каждая фаза железоуглеродистого сплава характеризуется определенной микротвердостью, а также получать данные о степени легирования данной фазы теми или иными элементами, об их распределении внутри зерна (ликвации).
Результаты наблюдений и их обработка
Результатами работы являются значения микротвердости структурных составляющих чугуна, а также результаты определения (описание) структуры чугуна по ГОСТ 3443—77.
Необходимо провести статистическую обработку результатов измерения микротвердости структурных составляющих чугуна. Оценить погрешность измерений по результатам не менее чем десяти замеров. Средние значения с указанием доверительного интервала занести в таблицу.
Номер образца
Структурная составляющая
Результаты измерения микротвердости
Нагрузка иа индентор, Н
Диагональ отпечатка, мкм
Микротвердость, МПа
Измерение
Среднее значение
Феррит Перлит
Экспериментальные сведения (форма, размер, распределение и количество графита), а также металлическая основа чугуна
Графит
Металлическая основа
Вид сплава
Форма
Размер включений, МКН
Распределение
Количество, %
Количество перлита, %
Количество феррита, %
Дисперсность перлита, мкм
определяются и оцениваются в соответствии с ГОСТ 3443—77. Полученные данные занести в таблицу.
Содержание отчета
Краткая теория с формулировкой цели и задач, поставленных при выполнении работы.
Исходные данные для проведения работы. Последовательность проведения отдельных операций.
Классификация графита и микроструктуры металлической матрицы по ГОСТ 3443—77.
Описание микроструктуры полученных образцов.
Методика определения микротвердости на ПМТ-3.
Результаты определения структуры чугуна по ГОСТ 3443—77 и микротвердости отдельных структурных составляющих.
Контрольные вопросы
При каком увеличении можно изучить форму, количество, распределение и размер графита?
Какова методика определения микротвердости структурных составляющих?
Каково устройство прибора для определения микротвердости структурных составляющих?
Как классифицируется графит по ГОСТ 3443—77?
Какие задачи можно решить посредством измерения микротвердости?
При каком увеличении можно определить дисперсность перлита? Каково значение этой характеристики матрицы?
Какую форму могут иметь включения графита?
Какова роль эвтектического превращения в формировании структуры и свойств чугуна?
Что представляет собой феррит в промышленных чугунах?
Что такое перлит? Каковы его состав, строение, свойства?
Как влияют размеры и количество графитовых включений на механические свойства чугуна?
Работа 29
ВЛИЯНИЕ ВЕЛИЧИНЫ УГЛЕРОДНОГО ЭКВИВАЛЕНТА НА ЛИНЕЙНУЮ УСАДКУ И ЖИДКОТЕКУЧЕСТЬ ЧУГУНА
Общие сведения
Усадка и жидкотекучесть сплавов являются наиболее важными технологическими характеристиками. Литейные свойства серого чугуна значительно лучше, чем других железоуглеродистых сплавов. Это позволяет применять его для изготовления тонкостенных отливок и определяет сравнительную простоту технологических процессов.
Известно, что чугуны являются многокомпонентными сплавами с содержанием углерода более 2 %. Кремний наряду с углеродом оказывает наиболее существенное влияние на литейные свойства. Кремний и фосфор понижают концентрацию углерода в эвтектике и эвтектоиде. Поэтому влияние этих элементов (С, Si, Р) принято рассматривать совместно, так как действие их одинаково, хотя интенсивность различна. Это характеризуется соответствующими коэффициентами в формуле для подсчета величины углеродного эквивалента СЕ = С + 0,3 (Si + Р).
Линейная усадка сплавов начинает появляться в интервале кристаллизации после образования достаточно прочного скелета из соприкасающихся кристаллов, способного противостоять давлению жидкого металла. Обычно это соответствует температуре, при которой процесс первичной кристаллизации чугуна прошел примерно на 75—95 %.
Содержание углерода в чугуне и характер кристаллизации оказывают большое влияние на величину объемной и линейной усадки. Увеличение содержания углерода в доэвтектическом чугуне приводит к заметному уменьшению объема. усадочных раковин за счет увеличения количества графита, выделяющегося при кристаллизации эвтектики. Если количество эвтектического графита составляет 1,8 %, то усадка чугуна не наблюдается. Дальнейшее увеличение количества эвтектического графита приводит к увеличению объема чугуна. Кремний в чугуне влияет на образование усадочных дефектов в период формирования графитовых кристаллов. Процесс графитизации в чугуне существенно уменьшает доперлитную усадку, но не влияет на послеперлитную усадку, которая остается неизменной и составляет около 1 %.
С увеличением углеродного эквивалента жидкотекучесть доэвтектических чугунов возрастает. В отличие от других сплавов максимальной жидкотекучестью обладают не эвтектические, а за- эвтектические чугуны, в которых графит кристаллизуется в качестве первичной фазы. Этот процесс сопровождается выделением теплоты. Одновременно следует отметить, что первичная фаза не образует непрерывного каркаса.
Учитывая значительное влияние углеродного эквивалента на жидкотекучесть и линейную усадку промышленных чугунов, требуется оперативно определять его по ходу плавки.
Углеродный эквивалент определяют по результатам химического или спектрального анализа чугуна на содержание углерода, кремния и фосфора или термографическим методом, основанным на определении температур ликвидуса и солидуса чугуна. Температура ликвидуса и интервал кристаллизации сплава определяют величину углеродного эквивалента.
Для определения температур ликвидуса и солидуса применяют бесконтактный пирометр ТАП-4, в котором в качестве температурного элемента используется фотодиод. Основными узлами прибора являются: измерительный элемент, форма для пробы чугуна, регистрирующий прибор (ЭПП-09 или КСП-4). Пирометр направляют на дно кварцевой трубки, имитирующей модель абсолютно черного тела в центре кристаллизующейся пробы. Использование фотодиодного пирометра вместо термопары в условиях производства позволяет фиксировать температуры ликвидуса и солидуса с точностью не ниже, чем в случае применения платинородиевых термопар.
Для четкой фиксации температуры ликвидуса на диаграмме регистрирующего прибора чугун следует заливать в форму при температуре не ниже —1350 °C. В этом случае время охлаждения чугуна в стержневой форме до температуры ликвидуса составляет 30—40 с, а до конца затвердевания ~4 мин. Данные с диаграммы потенциометра посредством градуировочной линейки переводятся непосредственно в значение углеродного эквивалента, соответствующего измеренной температуре ликвидуса.
Оборудование, инструмент и материалы
Индукционная печь для плавки чугуна, прибор для определения температур ликвидуса и солидуса сплава, технологические пробы для определения линейной усадки и жидкотекучести чугуна, модельная и опочная оснастка, набор плавильного и формовочного инструмента, шихтовые и формовочные материалы, защитные очки, спецодежда.
Порядок проведения работы
Работа рассчитана на 4 ч.
Ознакомиться с оборудованием и приборами, необходимыми для выполнения работы. Изучить инструкции по эксплуатации оборудования и технике безопасности при работе на нем.
Рассчитать шихту для выплавки исходного сплава, подготовить необходимые шихтовые материалы.
Подготовить и установить для заливки технологические пробы для определения жидкотекучести, линейной и литейной 156
усадки. Подготовить к работе измерительную аппаратуру для определения линейной усадки и углеродного эквивалента.
Выплавить 40 кг сплава с более низким углеродным эквивалентом. Плавку чугуна в индукционных печах выполняют, лаборанты, имеющие специальный допуск.
Выдать из печи в ковш первую порцию (~8 кг) металла и залить технологические пробы.
Привести состав оставшегося в печи расплава по кремнию или углероду в соответствие с полученным заданием, перегреть сплав и залить технологические пробы второй бригады студентов. Затем операции с подшихтовкой и заливкой технологических проб повторить каждой следующей бригадой студентов.
Измерить линейную и литейную усадку, углеродный эквивалент, жидкотекучесть. Обработать результаты.
Обобщить и обработать полученные данные.
Результаты наблюдений и их обработка
Результатом работы являются значения жидкотекучести, линейной и литейной усадки, углеродного эквивалента, полученные экспериментальными методами для чугунов различных составов. Первичная обработка результатов экспериментов заключается в определении среднего значения литейных свойств, в оценке точности измерений с учетом класса точности приборов и датчиков.
Результаты измерений линейной и литейной усадки, жидкотекучести, углеродного эквивалента занести в таблицу.
Углеродный эквивалент, %
Предусадоч- ное расширение, %
Жидкотекучесть, мм
Усадка, %
лииейиая
литейная
допер- литиая
после- перлит- ная
Содержание отчета
Исходные шихтовые материалы.
Расчет шихты.
Описание технологии плавки и заливки литейных форм.
Методика определения углеродного эквивалента, линейной усадки и жидкотекучести чугуна.
Результаты работы и их статистическая обработка.
Графические зависимости литейных свойств чугунов от углеродного эквивалента.
Выводы.
Контрольные вопросы
'Как определяют углеродный эквивалент чугуна?
Какие технологические пробы используют для определения жидкотекучести, линейной усадки?
Какова методика определения линейной усадки?
Как влияет изменение концентрации углерода и интервала кристаллизации на жидкотекучесть чугуна?
Как можно увеличить жидкотекучесть чугунов заэвтектического состава?
Каким образом учитывается литейная усадка при изготовлении моделей? 7. Как влияет увеличение СЕ на жидкотекучесть и линейную усадку?
Что такое доперлитная и послеперлитная усадка, какие параметры влияют на ее величину?
Какие виды жидкотекучести Вы знаете?
Работа 30
ПОЛУЧЕНИЕ ЧУГУНОВ С КОМПАКТНЫМ ГРАФИТОМ
Общие сведения
Существенное влияние на процессы графитизации чугунов оказывает модифицирование расплавов. Модифицированием называют такой процесс обработки литейного сплава, когда вводимые добавки (в количестве сотых или десятых долей процента) вызывают изменение внутреннего строения (структуры), происходящее вследствие увеличения количества центров кристаллизации или уменьшения линейной скорости их роста. При этом, в отличие от процесса легирования, как правило, не образуется новых фаз, не меняются свойства обычно присутствующих. Эффект модифицирования в отличие от легирования сохраняется, как правило, ограниченное время (обычно 10—15 мин).
Модифицирование позволяет значительно повысить прочностные свойства ряда конструкционных чугунов, по существу, получить новые конструкционные материалы, к числу которых следует отнести высокопрочные чугуны с шаровидным и верми- кулярным графитом.
Предел прочности при растяжении чугуна с шаровидным графитом в 2—4 раза, а удлинение в десятки раз превышает соответствующие характеристики чугуна с пластинчатым графитом. Одной из главных причин резкого повышения свойств является значительное уменьшение надрезывающего действия шаровидного графита по сравнению с пластинчатым.
Графит шаровидной формы может быть получен введением в расплав сфероидизирующих элементов магния, церия, иттрия. Чаще других для модифицирования используют магний. Однако применение чистого (металлического) магния затруднено вследствие его низкой температуры кипения (1107 °C) и малой плотности. Интенсивное парообразование при введении модификатора приводит к выбросу чугуна из ковша. Устранения этого недостатка достигают применением различных способов обработки
расплава (ввод магния под давлением в автоклавах, вдуванием в струе газа и др.), которые способствуют повышению усвояемости магния. Для получения высокопрочных чугунов используют также бескремнистые и кремнистые лигатуры. Широкое применение получили магнийсодержащие лигатуры на основе никеля и меди, а также лигатуры на основе ферросилиция.
Расход модификатора, а также стабильность и эффективность процесса модифицирования зависят от количества серы в чугуне и от присутствия примесей элементов-демодификаторов (висмута, свинца, сурьмы и др.).
Чугун с шаровидным графитом получают модифицированием сплавов, по составу близких к эвтектическому (СЕ = 44-4,4 %). Для предотвращения появления в чугуне с шаровидным графитом структурно-свободных карбидов проводят вторичное модифицирование (графитизирующее модифицирование). Для этого обычно используют ферросилиций ФС75.
В последние годы разработана технология получения еще одной разновидности высокопрочного чугуна с вермикулярным графитом. На шлифе вермикулярный графит представляет собой, как правило, разобщенные утолщенные включения с округлыми концами. По сравнению с пластинчатым он более компактен, в меньшей степени проявляется его надрезывающее действие на металлическую основу. Благодаря такой форме графита чугун характеризуется высокой прочностью (ов ^ 35 МПа), пластичностью, низкой чувствительностью к изменению скорости охлаждения, хорошей обрабатываемостью, пониженной склонностью к отбелу, незначительной объемной усадкой при затвердевании и т. д. Чугун с вермикулярным графитом может быть получен обработкой расплавов лигатурами, содержащими магний и титан, иттрий, церий, кальций. Как и в случае получения чугуна с шаровидным графитом, наличие серы и элементов демодификаторов в сплаве нежелательно.
Выплавка чугунов может быть осуществлена как в вагранках, так и в электрических печах. Плавка чугуна в индукционных печах имеет ряд преимуществ по сравнению с плавкой в вагранках, так как позволяет получать сплав более стабильного химического состава с заданным перегревом. Перспективным и экономически выгодным также является получение чугуна в вагранках большой производительности с последующей доводкой его по составу и температуре в индукционных печах.
Оптимальные свойства чугуна достигаются при модифицировании расплавов, перегретых до 1420—1550 °C. В каждом конкретном случае параметры модифицирования и заливки расплава чугуна должны быть определены экспериментально. К настоящему времени усовершенствованы традиционные способы модифицирования чугуна с шаровидным и вермикулярным графитом и создано много новых способов как одностадийного, так и многостадийного модифицирования. Модификаторы можно вводить не-
посредственно в ковш с одновременным или последующим интенсивным перемешиванием расплава, вдуванием с помощью газа, а также в промежуточные устройства, в литейную форму и т. д. Выбор способа введения модификатора в расплав чугуна определяется характером и условиями изготовления отливок.
Применение высокопрочных чугунов позволяет уменьшить массу отливок, повысить их надежность и долговечность и тем самым сэкономить значительное количество металла.
Оборудование, инструмент и материалы
Индукционная печь, модельная оснастка для изготовления технологических проб на отбел (см. рис. 35), модельно-опочная оснастка и набор формовочного инструмента для изготовления цилиндрических образцов диаметром 30 и длиной 350 мм, оптические микроскопы МИМ-7 или МИМ-8, пресс Бринелля, шихтовые материалы для плавки чугуна, глобуляризирующие и графитизирующие модификаторы, фотопластины, фотобумага, реактивы, спецодежда.
Порядок проведения работы
Работа рассчитана на 8 ч.
Ознакомление с оборудованием, приборами, оснасткой, необходимыми для выполнения работы. Изучить инструкции по эксплуатации оборудования и технике безопасности.
Рассчитать шихту для выплавки исходного сплава, подготовить необходимые шихтовые материалы и модификаторы.
Изготовить формы для получения цилиндрических образцов и проб на отбел чугуна, подготовить их и установить для заливки. Подготовить прибор для определения углеродного эквивалента.
Выплавить чугун исходного состава, перегреть его до заданной температуры, залить в формы первую порцию (~8 кг) немодифицированного чугуна.
Провести одностадийное или двухстадийное модифицирование сплава различными количествами модификаторов и залить формы в соответствии с индивидуальным заданием.
Охладить отливки в форме, выбить их и очистить.
Разрушить по пережиму пробы на отбел, измерить глубину чистого отбела hi, переходной зоны кг и общий отбел К.
Из цилиндрических отливок изготовить темплеты для исследования микроструктуры и подготовить шлифы. Также изготовить образцы для проведения механических испытаний.
Изучить нетравленые шлифы на микроскопах МИМ-7 или МИМ-8. Определить количество графита, форму и размеры его включений и характер распределения (ГОСТ 3443—77), сфотографировать (зарисовать) структуру.
Провести травление шлифов в 4 %-ном спиртовом растворе азотной кислоты. Определить количество перлита, его дисперс- 160
ность, измерить твердость чугуна по Бринеллю. Сфотографировать (зарисовать) структуру.
Обобщить полученные экспериментальные данные. Все результаты измерений температуры металла, углеродного эквивалента, глубины отбела и т. д. записать в рабочий журнал. Если используется модификатор одного состава, но в различных количествах, то построить графические зависимости влияния количества вводимого модификатора на глубину отбела и размеры графитных включений.
Результаты наблюдений и их обработка
Результатами работы являются значения микротвердости структуры составляющих, твердости чугуна, углеродного эквивалента, глубины отбела, а также результаты определения структуры чугуна по ГОСТ 3443—77. Первичная обработка результатов экспериментов состоит в определении средних значений глубины отбела, твердости чугуна.
Результаты измерений внести в таблицы.
Модифи-каторМодифи-каторГлубина отбела,Глубина отбела,ТвердостьТвердость
Модифи-катор
Модифи-катор
Глубина отбела,
Глубина отбела,
Твердость
Твердость
Составчугуна, %Составчугуна, %н S о 2н S о 2Проч-ность,МПаПроч-ность,МПа
Составчугуна, %
Составчугуна, %
н S о 2
н S о 2
Проч-ность,МПа
Проч-ность,МПа
Содержание отчета
Краткое введение с формулировкой цели и задач, поставленных при выполнении работы. Исходные данные для проведения работы.
1611616 П/р Л. В. Курдюмова
161
161
Расчет шихты, характеристика шихтовых материалов, модификаторов. Технологии плавки чугуна и модифицирования, хронометраж и последовательность проведения отдельных операций вплоть до заливки образцов.
Определение углеродного эквивалента. Сопоставить опытные и расчетные данные.
Таблицы.
Эскизы форм, проб, образцов, фотографии структуры до и после модифицирования.
Графики.
Выводы.
Контрольные вопросы
Какие цели преследуют при модифицировании глобуляризующими лигатурами?
Какие модификаторы применяют для получения чугунов с шаровидным и вермикулярным графитом?
Какова последовательность операций обработки чугуна с целью получения графита шаровидной формы?
Как получают чугун с вермикулярным графитом?
Какие плавильные агрегаты используют для получения высокопрочных чугунов?
При каких температурах проводят модифицирование чугуна?
С какой целью проводят вторичное модифицирование?
Как оценивают эффект модифицирования и сколько времени он сохраняется при использовании магния и РЗМ?
В каком виде вводят в расплав модифицирующие добавки?
Какие технологические варианты модифицирования для получения высокопрочного чугуна Вам известны?
В чем заключается отрицательное влияние серы. Какова ее допустимая концевтрация в высокопрочных чугунах?
Каков уровень концентрации углерода и кремния в высокопрочных чугунах?
Перечислите методы ввода модификаторов в расплав.
Какова структура чугунов до модифицирования?
Работа 31
МОДИФИЦИРОВАНИЕ ЧУГУНА
ГРАФИТИЗИРУЮЩИМИ ДОБАВКАМИ
Общие сведения
Из литейных сплавов чугун является самым распространенным конструкционным материалом в машиностроении. Широкое применение чугуна обусловлено многими ценными его качествами: хорошими литейными, антифрикционными и прочностными свойствами, износостойкостью, хорошей обрабатываемостью, высокой усталостной прочностью, невысокой стоимостью и т. д. Требования к качеству чугуна, его прочностным и служебным характеристикам с каждым годом повышаются. Их разнообразие обусловливает создание и применение большого числа типов и марок чугуна.
Механические свойства чугуна в значительной степени зависят от количества, формы и размеров графита. В обычном сером чугуне графит имеет форму розеток с крупными лепестками, оказывающими сильное надрезывающее действие на металлическую основу. Поэтому такой чугун обладает невысокими механическими свойствами. Повышение механических свойств чугуна достигается главным образом за счет управления процессом кристаллизации в целях изменения количества, формы, размеров и характера распределения графитовых включений. Одним из наиболее распространенных методов воздействия на процессы графитизации чугунов является модифицирование расплавов. Его проводят графитизирующими или стабилизирующими модификаторами. К графитизирующим модификаторам относятся ферросилиций, силикокальций, графит, алюминий и др. Стабилизирующие модификаторы обычно содержат марганец, хром, медь, олово, сурьму и др. Модифицирование стабилизирующими добавками способствует формированию перлитной основы, уменьшению размеров графитных включений и их количества, что обеспечивает повышение механических и эксплуатационных свойств чугуна. Такое модифицирование, применяемое в основном для чугунов с высокой степенью эвтектичности, по сравнению с графитизирующим модифицированием распространено в производстве меньше.
Модифицирование серого чугуна графитизирующими добавками уменьшает склонность его к отбелу, устраняет междендритный графит, уменьшает размеры лепестков графита.
Модифицирование наиболее эффективно для доэвтектических чугунов при высоком перегреве расплава, использовании большого количества стального лома в шихте и повышенных скоростях охлаждения отливки. Практически же модифицированию можно подвергнуть чугуны любых химических составов. Чугуны, подвергаемые графитизирующему модифицированию, в общем случае имеют следующий состав, %: 2,8—3,4 С; 0,6—1,5 Мп, до 0,3 Р, до 0,12 S и 1,0—2,5 Si.
Графитизирующее модифицирование чугунов с низкой степенью эвтектичности (5Э = 0,654-0,85) является обязательной технологической операцией, в противном случае в структуре формируется цементитная составляющая, не позволяющая получать высокие литейные и механические свойства.
Модифицировать чугуны, по химическому составу близкие к эвтектическому (5Э = 0,854-0,98), следует при производстве тонкостенных и разностенных отливок, а также в условиях быстрого охлаждения. Модифицированный чугун имеет практически такие же литейные свойства, как и немодифицированный. Модифицирование графитизирующими добавками гарантирует получение высоких и устойчивых результатов только при соблюдении определенных технологических условий. На результат модифицирования существенно влияют природа используемых ших-
товых материалов, химический состав исходного сплава, температура перегрева, предварительная обработка исходного чугуна, тип и количество вводимого модификатора, режимы заливки чугуна после ввода в него модификаторов, вид литейной формы и многие другие факторы.
Например, эффект модифицирования при прочих равных условиях проявляется тем сильнее, чем ниже степень эвтектичности чугуна. Снижение содержания углерода или кремния в чугуне повышает эффективность модифицирования графитизирующими добавками.
Графитизирующие модификаторы в зависимости от содержания кремния можно условно подразделить на два класса: кремнистые С>15 % Si) и бескремнистые (<15 % Si). Наиболее распространенными модификаторами серого чугуна с пластинчатым графитом являются ферросилиций ФС75 (74—80 % Si; 1,5 % Al) и силикокальций СК-30 (62 % Si, 30 % Са, 2 % А1, >6 % Fe). В настоящее время находят применение и другие модификаторы, в состав которых наряду с кремнием, кальцием, алюминием входят барий, цирконий, стронций и другие элементы.
Модификаторы вводят в жидкий чугун при выпуске его из печи в ковш, а иногда непосредственно в литейную форму. Перед вводом в чугун модификаторы дробят и просеивают до размера кусков 2—15 мм. Количество вводимого модификатора зависит от химического состава чугуна, его назначения, толщины стенок отливки, материала формы. Обычно вводят 0,1—1 % массы чугуна. Модифицирование проводят при температурах 1350—1420 °C. Более высокий уровень прочности чугунов достигается при снижении углеродного эквивалента и повышении перегрева чугуна. Каждый из этих факторов способствует уменьшению количества графита, его измельчению, увеличению количества и повышению дисперсности перлита. Однако при этом увеличивается и склонность чугуна к отбелу, междендритной кристаллизации графита. Например, доэвтектический чугун с низким углеродным эквивалентом (3,3—3,4 %), затвердевающий с большим переохлаждением, имеет структуру белого или половинчатого чугуна с неблагоприятным междендритным расположением графита. Подобная структура делает чугун хрупким и снижает его прочностные свойства. Графитизирующее модифицирование позволяет в определенных пределах предотвратить эти отрицательные явления.
Введение графитизирующего модификатора способствует формированию большого количества центров кристаллизации графита, что приводит к уменьшению переохлаждения и увеличению степени графитизации. В структуре серого чугуна образуются мелкие, равномерно распределенные графитовые включения.
После введения модификатора чугун должен определенное время выдерживаться в ковше. Уменьшение или увеличение этого периода в равной мере уменьшает эффект модифицирования.
При недостаточной выдержке модификатор не успевает равномерно распределяться по всему объему металла, при длительной выдержке происходит, очевидно, растворение или ошлакование зародышей, образованных модификатором. Оптимальная продолжительность выдержки определяется емкостью ковша, размером кусков модификатора и т. п. Можно считать, что наибольший эффект модифицирования наступает в среднем через 8—12 мин, а при более длительной выдержке действие модификатора ослабевает.
С учетом необходимого времени выдержки, затрат теплоты на нагрев и растворение модификатора, потерь теплоты при переливах металла разница между температурой выпуска чугуна из печи и температурой заливки составляет ~80 °C. Чтобы исключить большое снижение температуры чугуна при выпуске, ковши должны подаваться под заливку прокаленными и хорошо подогретыми.
Оборудование, инструмент и материалы
Индукционная печь, прибор для определения углеродного эквивалента, модельная оснастка для изготовления стержневых форм проб на отбел (см. рис. 35), модельно-опочная оснастка и набор формовочного инструмента для изготовления цилиндрических образцов размером 030x350 мм, микроскоп МИМ-7, микротвердомер ПМТ-3, пресс Бринелля, а также шихтовые материалы для выплавки чугуна, модификаторы, фотопластинки, фотобумага, реактивы, спецодежда.
Порядок проведения работы
Работа рассчитана на 8 ч.
Ознакомиться с оборудованием, приборами, оснасткой, необходимыми для выполнения работы. Изучить инструкции по эксплуатации оборудования и технике безопасности.
Рассчитать шихту для плавки базового сплава, подготовить необходимые шихтовые материалы, модификаторы.
Изготовить формы для образцов и установить их для заливки, подготовить к работе прибор для определения углеродного эквивалента. Подготовить формы для заливки двух цилиндрических образцов размером 0 30x350 мм и две формы проб на отбел чугуна в соответствии с индивидуальным заданием.
Выплавить исходный чугун, перегреть его до заданной температуры, залить в формы первую порцию (~8 кг) немо- дифицированного чугуна.
Осуществить модифицирование сплава заданным количеством модификатора и залить формы.
Охладить отливки в формах, выбить их и очистить.
Разрушить пробы на отбел по пережиму, измерить глубину зоны чистого отбела ht и переходной зоны h2 и определить общий отбел h.
На расстоянии ~20 мм от низа цилиндрической отливки отрезать образцы для исследования микроструктуры (0 30 мм, толщиной ~15 мм) и подготовить шлифы.
Из цилиндрических отливок изготовить образцы для проведения механических испытаний.
Изучить нетравленые шлифы на микроскопе МИМ-7. По ГОСТ 3443—77 определить количество графита, форму и размеры его включений и характер распределения.
Провести травление шлифов в 4 %-ном спиртовом растворе азотной кислоты по ГОСТ 3443—77. Измерить на приборе ПМТ-3 микротвердость перлита и феррита, измерить твердость чугуна по Бринеллю. Сфотографировать (зарисовать) структуру чугуна.
Обобщить полученные экспериментальные данные. Результаты измерений температуры металла, углеродного эквивалента, глубины отбела и другие данные записать в рабочую тетрадь. В случае использования модификатора одного состава, но в разных количествах, построить графические зависимости влияния количества вводимого модификатора на глубину отбела и размеры графитных включений.
Результаты наблюдений и их обработка
Результаты определений количества, формы и размера графитовых включений, глубины отбела, микротвердости структурных составляющих, твердости и прочностных свойств немодифи- цированного и модифицированного чугунов свести в таблицы (см. работу 30, п. 4).
Оценить истинные значения результатов определений, их надежность при вероятности 0,95, а также относительные и абсолютные погрешности измерений.
Содержание отчета
Исходные шихтовые материалы, типы и составы модификаторов.
Расчет шихты.
Описание технологий плавки чугуна и модифицирования, хронометраж и последовательность проведения отдельных операций вплоть до заливки образцов.
Описание определения углеродного эквивалента и результаты опыта. Сопоставление опытных и расчетных данных.
Эскизы форм, проб, образцов, микрофотографии структуры до и после модифицирования, их характеристика в соответствии с ГОСТами.
Таблицы.
Графическая зависимость влияния количества вводимого модификатора на глубину отбела и размеры графитовых включений.
Выводы.
Контрольные вопросы
Какие цели преследуют при модифицировании расплавов?
В чем заключается механизм графитизирующего модифицирования?
Какие модификаторы применяют в промышленности для модифицирования серых чугунов с пластинчатым графитом?
Какие модификаторы относятся к графитизирующим?
Как определяют углеродный эквивалент чугуна?
Назовите оптимальные для осуществления модифицирования температуры чугуна.
Как оценивается эффект модифицирования?
Сколько времени модификаторы не теряют своих свойств?
Какие компоненты входят в состав ферросилиция ФС75?
Какие пробы используют для определения склонности чугунов к отбелу?
Чем отличаются технологические варианты модифицирования чугуна с разной степенью эвтектичности?
В каком виде вводят в расплав модифицирующие добавки?
Работа 32
ВЛИЯНИЕ КАРБИДООБРАЗУЮЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ НА СТРУКТУРУ БЕЛЫХ ИЗНОСОСТОЙКИХ
ЧУГУНОВ
Общие сведения
Белые износостойкие чугуны представляют большую группу сложнолегированных сплавов на основе системы железо—хром—углерод. Они предназначены для изготовления деталей, подвергающихся в процессе эксплуатации интенсивному воздействию абразивных и коррозионно-абразивных сред. Разнообразна номенклатура отливок, получаемых из них: брони рудоразмалывающих мельниц, детали дробеметных и дробеструйных аппаратов, багерных и химических насосов и т. д.
Основным легирующим элементом износостойких чугунов является хром. Современные промышленные сплавы в зависимости от назначения содержат от 12 до 35 % Сг. Одна часть его присутствует в твердом растворе на основе железа, а другая связана в карбиды типа Ме7С3 или Me^Q. Наличие в структуре твердых карбидов, прочно связанных с аустенитной или с аустенитномартенситной матрицей, придает сплавам высокую износостойкость, примерно в 5—15 раз большую, чем у сталей.
Улучшения некоторых свойств чугунов достигают введением целого ряда различных легирующих элементов. Например, для повышения прокаливаемости чугуны дополнительно легируют марганцем, молибденом, никелем, медью. Добавка этих же элементов повышает ударно^абразивную и коррозионную стойкость чугунов. Ванадий, ниобий, титан, цирконий, бор изменяют форму, размер и количество карбидов, способствуя одновременному улучшению как прочностных, так и пластических характеристик.
Общие представления о фазовом составе и особенностях кристаллизации хромистых чугунов дают политермические разрезы
тектики аустенит—карбид
Рис. 56. Политермический разрез диа-
граммы состояния системы при 17 % Cr (Ki: М23Св;
Кс: М3С)
диаграммы состояния Fe—Cr— С (рис. 56).
Fe—Cr—С Кй - М7С3$
системы
количества стойкость
карбидной
Ме<
Затвердевание сплавов, содержащих менее 3,4 % С, начинается с выделения первичных кристаллов аустенита и заканчивается образованием эв- !SC (рис. 57, й). С ростом
составляющей увеличивается износо-
чугунов. Однако это происходит лишь до тех
пор, пока состав сплавов не станет заэвтектическим. Первичной фазой при кристаллизации заэвтектических чугунов является карбид Ме7С3. Его включения прорастают в виде шестигранных призм или игл (рис. 57, 6). Под воздействием небольших динами-
ческих нагрузок такие включения легко разрушаются и выкрашиваются, а на их месте возникают очаги активного разрушения рабочей поверхности деталей.
Максимальными значениями износостойкости обладают сплавы с эвтектической структурой (рис. 57, в), в которых содержится до 34 % карбидов Me7Q.
Для того чтобы увеличить износостойкость хромистых чугунов, необходимо повысить содержание в них карбидной составляющей эвтектического типа. С этой целью в заэвтектические сплавы вводят добавки карбидообразующих элементов (Nb, Zr или Ti), которые изменяют термодинамические условия протекания реакции образования карбида хрома в жидком чугуне 7 [Cr 1 +3 [С1 = — Сг7С3.
Ниобий, титан, цирконий уменьшают активность углерода, что приводит к понижению температуры начала образования карбидов хрома и замедлению их роста. Вместе с тем влияние
° — доэвтектического; б —- заэвтектического; в — эвтектического
этих элементов на температуру начала эвтектического превращения незначительно. Постепенно увеличивая содержание Nb, Zr или Ti можно добиться того, что чугун начнет кристаллизоваться при температуре эвтектики. Дальнейшее увеличение концентрации карбидообразующих элементов нежелательно из-за образования первичных карбидов МеС, которые так же, как и первичные карбиды Ме7С3, ухудшают эксплуатационные и технологические свойства отливок.
Значение оптимальной концентрации карбидообразующего элемента для заэвтектических чугунов уменьшается с увеличением скорости кристаллизации, что создает предпосылки для экономии дорогостоящих легирующих добавок. Для определения оптимальной концентрации Nb, %, можно использовать следующую зависимость:
Nb = (СЕ — 4,2 %) (7,3 — 2,73 In уохл),
где СЕ — углеродный эквивалент чугуна, %; иохл — скорость охлаждения, °С/с.
При замене ниобия на цирконий или титан величину добавки следует уменьшить в 1,3 и 2 раза соответственно. В настоящей работе предлагается исследовать влияние скорости охлаждения и величины добавки карбидообразующих элементов (Nb, Zr, Ti) на структуру и свойства белых износостойких чугунов.
Оборудование, инструмент и материалы
Плавильная индукционная тигельная печь, модельно-опочный комплект для изготовления форм образцов диаметром 10, 20 и 30 мм, набор формовочного инструмента, термопара с потенциометром или пирометр для измерения температуры жидкого чугуна, кварцевые наконечники, молоток, отрезной станок, шихтовые материалы, набор наждачной бумаги для приготовления шлифов, микроскоп МИМ-7, микротвердомер, химические реактивы для травления шлифов.
Порядок проведения работы
Работа рассчитана на 8 ч.
Рассчитать шихту для получения чугуна заданного состава, %: 3,5—3,6 С, 17—20 Сг, 0,4—1,5 Мп, до 1 Si, до 0,4 S и Р.
Ознакомиться с оборудованием, приборами, оснасткой.
Изучить инструкции по эксплуатации оборудования.
Загрузить исходные_шихтовые материалы в печь. Размеры компонентов шихты должны обеспечить плотность загрузки и отсутствие зазоров между ними и стенками тигля. Крупные куски загрузить вертикально по стенкам тигля.
Расплавить шихту. Плавку вести при закрытом тигле на максимальной мощности. После расплавления печь отключить, догрузить мелкую шихту, предварительно прокалив ее.
Приготовить формы (не менее трех) для заливки образцов диаметром 10, 20 и 30 мм.
Перегреть металл до 1450 °C, выдержать 10—12 мин и залить первую форму.
Ввести в оставшуюся часть жидкого металла половину рассчитанного по приведенной формуле количества ниобия, титана или циркония. При расчете количества карбидообразующих элементов принять скорость охлаждения образца диаметром 10 мм равной 15—20 °С/с.
Выдержать расплав при 1450 °C в течение 5—6 мин и залить вторую форму с образцами.
В оставшийся жидкий металл ввести оставшуюся часть добавки легирующего элемента.
И. Выдержать расплав при 1450 °C в течение 5—6 мин и залить третью форму.
Охладить образцы в формах, извлечь их, очистить поверхность от пригара.
Разрезать образцы на расстоянии 10—12 мм от донной части.
Приготовить шлифы для металлографических исследований.
Протравить образцы и определить количество, форму и средний размер эвтектических и заэвтектических карбидов хрома. Определение проводить не менее чем в 20 полях зрения.
Определить микротвердость карбидов и металлической основы.
Результаты наблюдений и их обработка
Результаты определения формы, средних размеров карбидов, микротвердости структурных составляющих образцов диаметром 10, 20 и 30 мм с различным содержанием ниобия, циркония или титана занести в таблицу.
В таблице указать доверительные интервалы определенных величин с вероятностью 0,95.
Диаметр образца, мм
Количество легирующего элемента
Количество эаэвтектиче- ских карбидов
Общее количество карбидов
Микротвердость, МПа
Примечание
карбидов
металлической основы
%
Содержание отчета
Исходные шихтовые материалы.
Состав чугуна и расчет шихты.
Порядок загрузки шихтовых материалов и режим выплавки чугуна.
Расчет добавок карбидообразующих элементов.
Порядок приготовления шлифов и методы определения количества, формы и средних размеров структурных составляющих.
Математическая обработка результатов определений.
Зависимость количества и среднего размера заэвтектических карбидов от содержания ниобия, циркония или титана и скорости охлаждения (диаметра) образца.
Выводы.
Контрольные вопросы
Назовите области применения белых износостойких чугунов.
Какие факторы определяют износостойкость сплавов?
Как влияют легирующие элементы на структуру и свойства чугунов?
Какое воздействие на формирование структуры хромистых белых чугунов оказывает введение сильных карбидообразующих элементов?
Какое влияние иа структуру хромистых чугунов оказывает увеличение скорости охлаждения?
Какие шихтовые материалы используют при выплавке хромистых чугунов?
В печах с какой футеровкой следует выплавлять хромистые чугуны?
ГЛАВА 7. ПЛАВКА, РАФИНИРОВАНИЕ И МОДИФИЦИРОВАНИЕ СТАЛИ
Работа 33
ЛИТЕЙНАЯ УСАДКА
И ЖИДКОТЕКУЧЕСТЬ НЕЛЕГИРОВАННЫХ
КОНСТРУКЦИОННЫХ СТАЛЕЙ
Общие сведения
Сравнение литейных свойств сплавов осуществляют при постоянных условиях заливки специальных технологических проб, формы которых изготовлены из одинаковых материалов (см. работы 21 и 23). При сравнении жидкотекучести сталей, как правило, определяют условно-истинную жидкотекучесть при одинаковом их перегреве над температурой ликвидуса. В ряде случаев представляет значительный интерес и определение так называемой «практической» жидкотекучести, поскольку большую часть литейных сталей заливают в формы при температуре 1540—1620 °C.
Влияние концентрации углерода на величину линейной усадки сталей
С, %
Расширение при у~* а-пере- ходе
Усадка, %
доперлитиая
после- перлитиая
линейная
0,08
0,11
1,42
1,16
2,47
0,14
0,11
1,52
1,06
2,46
0,35
0,11
1,47
1,04
2,40
0,45
0,11
1,39
1,07
2,35
0,55
0,09
1,35
1,05
2,31
0,90
0,01
1,21
0,98
2,18
Жидкотекучесть стали как технологическое свойство сплава может быть использовано для контроля и оценки процесса выплавки и внепечной обработки сплава, т. е. его жидкого состояния. Прогнозировать возможность заполнения сталью полостей формы определенного сечения по жидкотекучести можно лишь косвенно.
Кроме жидкотекучести на качество отливок из стали существенно влияет изменение объема сплава и, как следствие, изменения объема и размеров отливки, происходящие при охлаждении.
Величина линейной усадки стали, кинетика ее развития определяются температурным интервалом, коэффициентом термического сжатия сплава и его зависимостью от температуры, а также характером фазовых превращений.
Линейная усадка стали складывается из усадки в интервале от температуры начала линейной усадки до температуры соли- ДУса (<н. л. у — /с), доперлитной усадки в интервале от температуры солидуса до температуры фазового превращения (/с — ^-а), расширения, связанного с изменением размеров кристаллической решетки при фазовом превращении у = Fe -> а = Fe, и после- перлитной усадки, происходящей при охлаждении стали от температуры фазового превращения до нормальной температуры (/т-а — /0) (табл. 24). Следует подчеркнуть существенное влияние фазовых превращений в легированных сталях. Коэффициент термического сжатия увеличивается с повышением в стали концентрации углерода. Необходимо также отметить, что у аустенита он в два раза выше, чем у феррита.
Суммарное сокращение объема стали (нелегированной среднеуглеродистой) составляет 7,2—7,5 %, а линейных размеров 2,4—2,5 %.
В реальных условиях в результате торможения усадки происходит пластическая деформация, несколько уменьшающая общее изменение размеров. Литейная усадка тонкостенных отливок сложной формы составляет 1,25—1,5 %, а толстостенных 2,0— 2,3 %. Литейная усадка даже в условиях значительного торможения не бывает меньше 1,0—1,25 %.
Оборудование, инструмент и материалы
Индукционная печь ИСТ-006 или другой плавильный агрегат, металлические формы для отливки пробы Купцова—Нехендзи (см. рис. 40, в), прибор для определения линейной усадки или прибор И. Ф. Большакова.
Порядок проведения работы
Работа рассчитана на 4 ч.
Ознакомиться с оборудованием и приборами, необходимыми для выполнения работы.
Получить индивидуальное задание. Рассчитать шихту для выплавки базового сплава и определить количество чугуна, необходимое для перевода стали в заданную марку по углероду.
Осуществить в необходимой последовательности все операции выплавки стали. Провести хронометраж плавки.
Изготовить три формы для получения технологических проб из каждой марки стали и подготовить контрольно-измерительную аппаратуру.
Выдать первую порцию базового сплава, например сталь 15Л, и залить технологические пробы.
Дошихтовать, расплавить и перегреть сталь для получения второй и последующих технологических проб.
Взять пробы стали из образцов для химического анализа на углерод.
Измерить жидкотекучесть и литейную усадку по пробе Купцова—Нехендзи.
Расшифровать и обработать результаты определения линейной усадки. Запись протекания усадки проводится до достижения образцом температуры окружающей среды.
Обобщить экспериментальные данные и обработать полученные результаты.
Результаты наблюдений и их обработка
Первичная обработка результатов экспериментов заключается в определении средних значений жидкотекучести и литейной усадки, в оценке точности измерений с учетом класса точности
Марка стали
Предусадочное расширение
Допер- литная усадка
Расширение при у—> а- переходе
После- перлитная усадка
Полная усадка
по расчету
после химического анализа
%
используемых приборов и датчиков. По экспериментальным данным строится графическая зависимость усадки от температуры. По этим же данным определяют предусадочное расширение (если оно зафиксировано), доперлитную и послеперлитную усадку, расширение при у -► «-переходе. По результатам химического анализа стали составляют итоговую таблицу.
Содержание отчета
Краткое введение с формулировкой цели и задачи индивидуального задания по проведению работы.
Расчет шихты базового сплава и технологии осуществления порционной разливки. Описание принципиальной схемы и методики измерений.
Оценка точности (погрешности) осуществляемых замеров. Исходные экспериментальные данные и их обработка.
Построение графической зависимости, отражающей влияние концентрации углерода на величину условно-истинной жидкотекучести, а также изменение величины усадки с изменением температуры.
Сведение результатов экспериментов в единую таблицу. Сопоставление полученных данных с литературными.
Выводы.
Контрольные вопросы
Назовите основные технологические свойства литейных сплавов.
Какие технологические пробы используют для определения литейной усадки и жидкотекучести сплавов?
Как влияет перегрев на величину линейной усадки?
Назовите характерные причины предусадочного расширения.
Какие величины линейной усадки характерны для углеродистой стали?
Как влияет содержание углерода в литейной стали на ее жидкотекучесть и усадку?
Какие характеристики сплава определяют его жидкотекучесть?
Назовите основные стадии усадки сплава.
В области каких температур проявляется линейная усадка среднеуглеродистой стали?
Работа 34
ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ ЗАЛИВКИ И РЕЖИМА ОХЛАЖДЕНИЯ ОТЛИВКИ НА СТРУКТУРУ СТАЛИ 110Г13Л
Общие сведения
Процесс первичной кристаллизации определяется составом сплава, его температурой и строением в перегретом состоянии, условиями заливки и последующего охлаждения в форме. Особенно важно получение в литом состоянии оптимального строения сталей, не претерпевающих полиморфных превра-
Рнс. 58. Политермический разрез диаграммы состояния железо—марганец—углерод (13 % Мп)
щений. К числу таких сталей относится износостойкая сталь 110Г13Л, ряд коррозионно-стойких хромоникелевых сталей аустенитного класса.
Диаграмма состояния сплавов железо—марганец углерод (рис. 58) относится к типу диаграмм с открытой неограниченной у-областью. Состав стали 110Г13Л обусловливает ее аустенитную структуру только после закалки. При медленном охлаждении отливок после кристаллизации стали в литейной форме из аустенита выпадают карбиды, располагающиеся в основном по границам зерен. Такая сталь имеет низкие пластичность, прочность и ударную вязкость. Выпадение карбидов является нежелательным, так как вызывает обеднение аустенита марганцем и углеродом, а расположение их по границам зерен резко снижает трещино- устойчивость. Количество карбидов, их размеры в литой стали оказывают решающее значение на режим термообработки (температура нагрева под закалку и время выдержки), а также на свойства стали после закалки. Большое количество крупных карбидов предопределяет необходимость низкой интенсивности нагрева под закалку во избежание образования трещин (высокая хрупкость сплава, низкая теплопроводность). Кроме этого, требуется более длительная выдержка отливки в интервале 1050—1100 С для возможно полного растворения карбидов.
Поскольку карбидная фаза имеет больший удельный объем чем аустенит, то в местах залегания крупных карбидов образуются пустоты, а сами карбиды растворяются не полностью. Длительная выдержка под закалку в области высоких температур приводит к укрупнению аустенитного зерна, частичному обезуглероживанию сплава в поверхностных зонах отливки. Поэтому получение возможно мелких карбидов и минимального
Ряс. 59. Влияние температуры заливки на размер dCp зерна стали 110Г13Л (По данным Ю. А. Шульте)
их количества в литой структуре имеет исключительно важное значение.
этой стали в значительной и формой аустенитногоэтой стали в значительной и формой аустенитногозерна. Высокие свойства достигазерна. Высокие свойства достигаДля получения высоких механических свойств и износостойкости отливок недостаточно наличия чисто аустенитной структуры. Качество степени определяется величиной
этой стали в значительной и формой аустенитного
этой стали в значительной и формой аустенитного
зерна. Высокие свойства достига
зерна. Высокие свойства достига
ются только при образовании мелких равноосных зерен. Как
уже отмечалось, в отливках из аустенитной стали, не имеющей полиморфного превращения, мелкозернистая структура может быть обеспечена только регулированием процесса первичной кристаллизации. Основным рычагом такого регулирования является температура разливаемой в формы стали. На рис. 59 показано влияние температуры на размер зерна стали 110Г13Л в отливках гусеничных траков. Учитывая это, сталь 110Г13Л следует заливать при возможно низких перегревах, а чтобы гарантировать однородность этих свойств, разливку всей плавки осуществлять быстро. Существующие на большей части заводов технологические
инструкции предписывают отливки из стали 110Г13Л выбивать после медленного охлаждения до температуры не выше 500 °C. Такие рекомендации основаны на стремлении избежать возникновения высоких термических напряжений и, как следствие, образования трещин. Однако в таком подходе имеется существенное противоречие, так как, обеспечивая более низкий уровень напряжений, медленное охлаждение в то же время приводит к снижению прочностных и пластических свойств в результате выпадания крупных карбидов.
Оборудование, инструмент и материалы
Индукционная печь ИСТ-006 с основной (магнезитовой) футеровкой, разливочный ковш, печь для нагрева ковша до 800 °C, шахтные электрические печи СШОЛ с терморегуляторами, микроскоп МИМ-7 или МИМ-8, микротвердомер ПМТ-3, пресс Бринелля, вольфраморениевая термопара, потенциометр, секундомер, формы для получения образцов по выплавляемым моделям, вентилятор оконный, плавильный инструмент, инструмент и материалы для изготовления шлифов, шихтовые материалы (слитки стали 110Г13Л или исходные первичные материалы; раскислители, ферросплавы, плавиковый шпат, известь), спецодежда, защитные очки.
Порядок проведения работы
Работа рассчитана на 4 ч.
В зависимости от поставленной цели и условий лаборатории может быть предложено два варианта выполнения работы.
А. Изучение воздействия режима охлаждения затвердевшего сплава в форме на структуру и свойства стали 110Г13Л.
Б. Изучение влияния температуры заливаемой стали 110Г13Л на ее структуру и механические свойства.
После получения индивидуального задания студенты уточняют его содержание и методы реализации эксперимента в конкретных условиях лаборатории. После этого необходимо:
Подготовить термопары
Рис. 60. Проба для определения свойств стали 110Г13ЛРис. 60. Проба для определения свойств стали 110Г13Лдля контроля температуры по ходу плавки и разливки.
Рис. 60. Проба для определения свойств стали 110Г13Л
Рис. 60. Проба для определения свойств стали 110Г13Л
Подготовить формы (засыпать оболочки песком) для отливки проб (рис. 60) и установить их на заливочной площадке.
Выплавить сталь 110Г13Л и перегреть ее до температуры, заданной преподавателем. Выплавку стали в условиях учебной лаборатории рекомендуется осуществлять методом переплава шихтовой заготовки или возврата (литников, прибылей и т. д.). Для этого необходимо:
на дно тигля загрузить 1 % извести и по 0,5 % ферромарганца ФМн75 и ферросилиция ФС75 от массы шихтовой заготовки;
загрузить в тигель переплавляемую заготовку;
расплавить шихту, перегреть расплав до 1520—1550 °C, убрать шлак;
навести новый шлак, для чего на зеркало металла нанести 1—1,5 % массы металла шлакообразующую смесь следующего состава, %: 40 извести, 25 плавикового шпата, 20 ферросилиция ФС75, 15 молотого коксика или электродного боя;
накрыть тигель крышкой (листом асбеста) и после расплавления шлакообразующих (через 8—10 мин) приступить к диффузионному раскислению;
осуществить диффузионное раскисление стали смесью 2 мае. ч. молотого ФС75 и 1 мае. ч. коксика в течение 8—10 мин, перегреть сталь до заданной температуры;
перед выпуском из печи снять шлак и раскислить сталь алюминием.
При выполнении работы по варианту А разлить сталь из у ковша по формам при температуре 1450 °C, охладить отливки до 850 °C.
Извлечь отливки из формы и провести их дальнейшее охлаждение с 850 до 400 °C в печи СШОЛ, на полу лаборатории или под вентилятором и т. д.
При выполнении работы по варианту Б разливку стали провести при разных температурах, задаваемых преподавателем, а охлаждение отливок до 400 °C — по единому режиму.
После охлаждения отливок до нормальной температуры отделить образцы от литниковопитающей системы и замаркировать их.
Приготовить микрошлифы для исследования структуры (структурные составляющие, их относительное количество, форма и размеры), измерения микротвердости аустенита и карбидов. Сфотографировать или зарисовать структуру литой стали.
Результаты наблюдений и их обработка
Внести в таблицу первичные данные.
Измеряемый параметр
Время охлаждения, ч
Среднее арифметическое значение
Среднее квадратическое значение
Дисперсия
Доверительный интервал
К
СО
дО
О К
сЗ Я
я
Ч § 2
К ® Я
Размер зерен аустенита, мкм
Микротвердость аустенита, МПа
Объемная доля карбидов, %
Провести статистическую обработку результатов определения размера аустенитного зерна, количества карбидов и микротвердости. Рассчитать дисперсию и найти доверительный интервал при вероятности 0,90.
Построить графическую зависимость, отражающую влияние режима охлаждения отливки (средней скорости в интервале 850—400 °C) на количество карбидной фазы (вариант А), или температуры заливаемой стали на величину аустенитного зерна (вариант Б).
Содержание отчета
Краткое введение с формулировкой цели, задач, индивидуального задания.
178
Расчет шихты и описание (хронометраж) ведения плавки. Указание класса точности применяемых датчиков (термопар) и приборов.
Краткое изложение методики определения среднего размера зерна и содержание той или иной фазы.
Таблица первичных замеров и результаты их статистической обработки.
Графические зависимости.
Выводы.
Контрольные вопросы
Как влияют температура заливки и режим охлаждения отливки на структуру стали 110Г13Л?
Как экспериментально определить величину аустенитного зерна и количество карбидной фазы в стали 110Г13Л?
Какие технологические пробы используют при определении свойств стали?
Какова структура стали 110Г13Л в литом состоянии и после термообработки?
Какая структура формируется в условиях медленного и быстрого охлаждения стали 110Г13Л?
Как режим охлаждения влияет на свойства стали?
Назовите способы измельчения аустенитного зерна в стали 110Г13Л.
РАЗДЕЛ IV
ПРОИЗВОДСТВО отливок
ИЗ СПЛАВОВ ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ
ГЛАВА 8. ПЛАВКА, РАФИНИРОВАНИЕ И МОДИФИЦИРОВАНИЕ СПЛАВОВ ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ
Работа 35
СРАВНЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАЗЛИЧНЫХ МЕТОДОВ РАФИНИРОВАНИЯ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ ОТ РАСТВОРЕННЫХ ГАЗОВ И ТВЕРДЫХ НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИХ ВКЛЮЧЕНИЙ Общие сведения
Алюминиевые сплавы, применяемые в технике, делят на литейные и деформируемые. Первые из них предназначены для изготовления фасонных отливок, вторые — для производства полуфабрикатов (листов, лент, профилей, труб, штамповок и поковок) методами холодной или горячей обработки давлением. Основными компонентами алюминиевых сплавов являются кремний, медь, магний, марганец и цинк.
Для изготовления фасонных отливок в промышленности используют пять групп литейных алюминиевых сплавов:
I — сплавы на основе системы алюминий—кремний (АЛ2, АЛ4, АЛ9, АЛ34, АК7, АК9);
— сплавы на основе системы алюминий—кремний—медь (АЛЗ, АЛ5, АЛ6, АЛ32, АК5М2, АК5М7, АК7М2, АК4М4);
— сплавы на основе системы алюминий—медь (АЛ7, АЛ 19, АЛЗЗ);
— сплавы на основе системы алюминий—магний (АЛ8, АЛ 13, АЛ22, АЛ23, АЛ27, АЛ28);
V — сложнолегированные сплавы (АЛ1, АЛ11, АЛ21, АЛ25, АЛ 30).
Химический состав некоторых из литейных сплавов по ГОСТ 2685—75 приведен в табл. 25.
Чаще других для изготовления отливок применяют сплавы системы алюминий—кремний (силумины). Сплавы этой системы обладают лучшими, по сравнению с другими сплавами, литейными свойствами — малой линейной усадкой, хорошей жидкотекучестью, не склонны к образованию трещин при затрудненной усадке. Отливки из силуминов получают литьем в песчаные и металлические формы.
Химический состав алюминиевых сплавов
Таблица 25
Сплав
Массовая доля компонента, % (А1 — остальное)
Mg
Si
Мп
Си
Прочие
Литейные сплавы (ГОСТ 2685—75)
АЛ2
—
10,0—13,0
—
—
—
АЛ4
0,17—0,30
8,0—10,5
0,2—0,5
—
—
АЛ9
0,20—0,40
6,0—8,0
—
—
—.
АЛЗ
0,35—0,60
4,5—5,5
0,6—0,9
1,5—3,0
—.
АЛ8
9,50—10,00
—
—
—
—
АК21М2.5Н2.5
0,20—0,50
20,0—22,0
0,2—0,4
2,3—3,0
2,2—2,8 N1, 0,1—0,3 Ti,
0,2—0,4 Сг
Деформируемые
сплавы
(ГОСТ 4734—74)
Д16
1,2—1,8
—
0,3—0,9
3,8—4,9
—
АМгб
5,8—6,8
—
0,5—0,8
—
0,02—0,10 Т1 0,005 Be
АК6
0,4—0,8
0,7—1,2
0,4—0,8
1,8—2,6
—
Наиболее вредной примесью в сплавах I группы является железо, образующее с компонентами сплава тройную фазу Р (А1жРеу512), кристаллизующуюся в форме грубых иглообразных кристаллов, резко снижающих пластические свойства силуминов. Для нейтрализации вредного влияния железа вводят марганец или кобальт. Для повышения прочности в процессе термической обработки двойные сплавы алюминия с кремнием легируют 0,2—0,5 % магния.
При изготовлении толстостенных отливок сплавы I группы применяют только в модифицированном состоянии, так как не- модифицированные сплавы имеют низкие пластические свойства, обусловленные грубыми выделениями эвтектического кремния.
Сплавы системы алюминий—кремний—медь (II группа) содержат 4—8 % кремния и 1—8 % меди. Их широко используют для изготовления отливок с повышенными прочностью и твердостью, сохраняющих постоянство размеров в процессе эксплуатации (корпуса приборов, автомобильные и тракторные поршни, детали двигателей воздушного охлаждения). Сплавы этой группы более жаропрочны, чем силумины; они обладают хорошей жидкотекучестью, малой линейной усадкой, но более склонны к образованию усадочной пористости и трещин при затрудненной усадке, чем сплавы I группы. Сплавы упрочняются термической обработкой.
Сплавы системы алюминий—медь (III группа) отличаются высокими механическими свойствами и низкой коррозионной стойкостью; онн хорошо обрабатываются резанием. Обладая широким
интервалом кристаллизации, сплавы системы алюминий—медь > склонны к образованию усадочных трещин и рассеянной усадочной пористости; они менее жидкотекучи, чем сплавы I и II групп. Для измельчения зерна и повышения механических свойств сплавы легируют марганцем, титаном или цирконием. Сплавы Ш группы упрочняют термической обработкой.
Сплавы системы алюминий—магний (IV группа) отличаются низкой плотностью, высокими прочностными свойствами и коррозионной стойкостью, их используют для изготовления отливок, несущих большие вибрационные нагрузки. Эти сплавы имеют низкие литейные свойства — они обладают повышенной склонностью к окислению и образованию усадочных трещин и рыхлот, взаимодействуют с влагой литейных форм, имеют низкую жидкотекучесть. Для повышения механических свойств и снижения газо- выделения при кристаллизации эти сплавы легируют цирконием, а для предохранения от загорания в них вводят 0,02—0,2 % бериллия.
Сложнолегированные сплавы V группы применяют для изготовления отливок с повышенной стабильностью размеров, работающих при повышенных температурах и давлениях, а также для изготовления сварных конструкций. Они имеют сложную многофазную структуру, определяющую их высокую склонность к горячим трещинам. Одним из представителей этой группы является сплав АК21М2,5Н2,5, который называют заэвтекти- ческим силумином.
Заэвтектические сплавы (14—22 % кремния) отличаются жаропрочностью и имеют небольшой коэффициент термического расширения.
Алюминиевые сплавы выплавляют в открытой атмосфере в печах различных типов: тигельных и отражательных, работающих на электроэнергии, жидком и газообразном топливе. Применяют высокоглиноземную или магнезитовую футеровку. Футеровка с повышенным содержанием кремнезема не пригодна при плавке алюминиевых сплавов, так как оксид кремния восстанавливается алюминпем. В лабораторных условиях для плавки алюмцниевых сплавов применяют графитошамотные тигли. Часто используют чугунные тигли, покрытые огнеупорным покрытием.
Легирующие компоненты, за исключением магния, цинка и иногда меди, вводят в сплав в виде лигатур.
При плавке на воздухе алюминиевые сплавы окисляются и насыщаются водородом. Для предохранения от окисления и насыщения водородом плавку ведут под слоем флюса в слабо- окислительной атмосфере. В качестве покровного флюса при плавке сплавов, содержащих не более 2 % магния, используют смесь хлоридов натрия и калия (45 % NaCl и 55 % КО) в количестве 1—2 % массы шихты. Чем больше в шихте содержится мелких отходов, тем больше берется флюса. Рекомендуют также флюсы, в состав которых, кроме указанных хлоридов, вводят фтористые 182
соли (39 % NaCl, 50 % KOI, 6,6 % Na3AlF6, 4,4 % CaFJ. Для алюминиево-магниевых сплавов в качестве покровного флюса используют карналлит (MgCl2-KCl) и смесь карналлита с хлористым барием и фтористым кальцием. В тех же случаях, когда применение флюса невозможно, защиту от окисления осуществляют введением в расплав 0,03—0,05 % бериллия.
Особенно вредно взаимодействие алюминиевых, расплавов с парами воды, так как оно способствует одновременному загрязнению их оксидами и водородом. Для предотвращения этого принимают меры по удалению влаги из футеровки плавильных печей и различных разливочных устройств, покровных, рафинирующих и модифицирующих флюсов; прокаливают и окрашивают плавильно-разливочный инструмент; очищают и сушат шихтовые материалы. Однако как бы тщательно ни проводилась плавка на воздухе, алюминиевые расплавы всегда оказываются загрязненными оксидами, нитридами, водородом, включениями шлака и флюса. Поэтому сплавы подвергают рафинированию.
Неметаллические включения присутствуют в алюминиевых расплавах как в виде неравномерно распределенных по объему макроскопических крупных частиц и плен, так и в виде тонкодисперсных взвесей, распределенных по объему относительно равномерно.
Крупные неметаллические включения и плены с локальным характером распределения наиболее вредны, так как в местах их нахождения ослабляется сечение отливки, образуются не- сплошности, приводящие к появлению течи, очагов коррозии, снижаются пластические свойства сплавов. Эти включения, являясь концентраторами напряжений, способствуют растрескиванию отливок. В слитках крупные включения и плены являются очагами образования расслоений при пластической деформации. Тонкодисперсные неметаллические включения оказывают влияние на структуру отливок и облегчают образование газовых пузырей при охлаждении газонасыщенных расплавов.
Наличие в отливках растворенных газов — причина образования газовой пористости. Предельно допустимое содержание водорода в алюминиевых сплавах 0,1—0,3 см3/100 г. Пористость деформируемых сплавов опасна тем, что при обработке слитков давлением она способствует развитию расслоений в зонах течения металла. Расслоения резко снижают пластичность изделий и поэтому совершенно недопустимы в нагруженных деталях.
Технология рафинирования. Очистку алюминиевых сплавов от взвешенных неметаллических включений и растворенного водорода осуществляют продувкой расплавов инертными и активными газами, обработкой хлористыми солями и флюсами, вакуумированием и фильтрованием через сетчатые и зернистые фильтры.
Очистка расплавов продувкой инертными или активными газами основана на прот'екании двух процессов — диффузии растворенного газа в пузырьки продуваемого рафинирующего
газа и флотации ими неметаллических включений. Рафинирование > осуществляется тем успешнее, чем меньше размер пузырьков продуваемого газа и равномернее их распределение по объему расплава. В этой связи заслуживает особого внимания способ обработки расплавов инертными газами с использованием пористых керамических вставок.
Для продувки алюминиевых расплавов используют азот, аргон и их смесь с 5—10 % хлора или фреона. Газы должны быть очищены от влаги и кислорода. Наибольший эффект рафинирования достигается при использовании хлора. Продувку азотом или аргоном ведут при 720—730 °C. Длительность продувки зависит от объема расплава и задается в пределах 5—20 мин, расход газа составляет 0,3—1 м3 на тонну расплава.
Обработка расплавов хлористыми солями основана на их летучести, термической диссоциации и способности вступать в обменные реакции с компонентами сплава с выделением парообразных и газообразных продуктов реакции, оказывающих рафинирующее действие на расплав, аналогичное продувке хлором. Для рафинирования применяют хлористый цинк, хлористый марганец, гексахлорэтан и другие хлориды. Ввиду гигроскопичности, хлористые соли перед рафинированием подвергают сушке (МпС12) или переплавке (ZnCl2). В расплав их вводят с помощью «колокольчика». Хлористый цинк и хлористый марганец вводят в количестве 0,05—0,2 % при температуре расплава 700—-730 °C; гексахлорэтан — в количестве 0,3—0,7 % при температуре 740— 750 °C в несколько приемов. «Колокольчик» с солью погружают на дно расплава и для более полной очистки непрерывно перемешивают до прекращения выделения газообразных продуктов реакции. При этом хлористые соли взаимодействуют с алюминием по реакции ЗМеС12 + 2А1 -► 2А1С13 + ЗМе.
Пузырьки хлористого алюминия, поднимаясь на поверхность расплава, увлекают взвешенные неметаллические включения; внутрь пузырьков диффундирует растворенный в металле водород — происходит очистка расплава. По окончании перемешивания расплаву дают отстояться в течение 10—15 мин при температуре 720—730 °C для удаления мелких пузырьков газа. Рафинирование хлоридами ведут в печах или ковшах с малой удельной поверхностью расплава. В печах с небольшим по высоте слоем расплава рафинирование введением хлоридов малоэффективно. Лучшие результаты в таких случаях дает рафинирование флюсами.
Очистка флюсами основана на удалении взвешенных включений из расплава в результате адгезии, растворения или химического взаимодействия с расплавленными солями. Главную роль в процессе флюсового рафинирования играют поверхностные явления. Флюсы уменьшают адгезию включений к металлу и под действием межфазных сил включения самопроизвольно переходят во флюс. Рафинирующие свойства флюса характеризуются рабо- 184
той адгезии включений к металлу в среде флюса, которая выражается соотношением
№ф~В = ом COS 6М — Оф COS 6ф + Ом_ф,где ам, Оф — поверхностное натяжение соответственно металли-ческого расплава и флюса, мДж/м2; 6М, 6ф — краевые углы сма-чивания включений соответственно металлом и флюсом, градусы;ом_ф —межфазовое натяжение на границе металл—флюс, мДж/м2.
Рафинирующие свойства флюса возрастают с уменьшением работы адгезии 1^ф_®. Следовательно, эффективность очистки тем выше, чем лучше расплавленный флюс смачивает неметаллические включения, чем больше краевой угол смачивания включений металлическим расплавом, и тем выше, чем меньше межфазное натяжение на границе металлический расплав-—флюс.
В практике плавки большей части алюминиевых сплавов для рафинирования используют флюс, состоящий из 47 % КО, 30 % NaCl, 23 % Na3AlF6. Для очистки сплавов алюминия с магнием применяют флюсы на основе карналлита с 10—20 % CaF2 или K3A1F6. Предварительно переплавленные и высушенные флюсы в количестве 0,5—1 % массы металла засыпают на поверхность расплава при температуре 700—750 °C. Затем флюс в течение 3—5 мин энергично замешивают в расплав, удаляют шлак и дают расплаву отстояться 10—15 мин. После повторного удаления шлака расплав используют для заполнения литейных форм. При обработке больших объемов металла флюс вводят с помощью «колокольчика» на дно расплава.
Более высокий уровень дегазации расплавов получают при вакуумировании. Сущность этого вида рафинирования состоит в том, что выплавленный по обычной технологии сплав переливают в ковш, который затем помещают в вакуумную камеру, где выдерживают при остаточном давлении 102—10s Па в течение 10—30 мин. Температура расплава при этом поддерживается на уровне 720—740 °C.
Общим недостатком перечисленных способов рафинирования является то, что они осуществляются на такой стадии технологического процесса, которая не исключает последующего загрязнения расплава во время литья.
В последние годы для очистки алюминиевых сплавов все в больших масштабах применяют фильтрование. Сущность метода состоит в пропускании расплавов через сетчатые, зернистые или жидкие фильтры. Сетчатые фильтры (стеклоткань, металлическая сетка) широко применяют для очистки расплавов от крупных включений и плен. Они отделяют те включения, размер которых больше размера ячейки сетки. Фильтры из стеклоткани устанавливают в раздаточных тиглях (рис. 61, б), литниковых каналах (рис. 61, в), распределительных устройствах и кристаллизаторах машин непрерывного литья слитков (рис. 61, а).
Рис. 61. Схемы расположения сетчатых фильтров:
с — в кристаллизаторе машины непрерывного литья слитковз / — кристаллизатор; 2 — фильтр из стеклоткани; 3 — желоб; 4 —• пика; 5 — миксер; б — в раздаточном тигле: / — тигель; 2 ^ фильтр из стеклоткани; е — в литейной форме: / — литейная форма: 2 -— фильтр из стеклоткани; 3 — полость литейной формы
фильтры в 1,5—2 раза снижают содержание неметаллических включений в изломах технологических проб.
машины непрерывного 3 — тигель; 4 — печьмашины непрерывного 3 — тигель; 4 — печьЗначительно больший эффект очистки от неметаллических включений дают зернистые фильтры (рис. 62), представляющие собой слой фильтрующего материала из зерен размером 5 10 мм в поперечнике, высотой ПО—150 мм. Отличительной особенностью таких фильтров является большая поверхность соприкосновения с металлом и наличие длинных тонких межзеренных каналов переменного сечения. Металл в таких фильтрах перемещается с переменной скоростью, что усиливает эффект очистки.
машины непрерывного 3 — тигель; 4 — печь
машины непрерывного 3 — тигель; 4 — печь
Рис. 62. Схемы расположения зернистых фильтров:Рис. 62. Схемы расположения зернистых фильтров:
Рис. 62. Схемы расположения зернистых фильтров:
Рис. 62. Схемы расположения зернистых фильтров:
а — иа участке перелива металла из миксера в кристаллизатор литья: 1 — пористая графитовая плита; 2 — зернистый фильтр;
для подогрева фильтра; 5 - трубка для подачи инертного газа; б - вкристаллизаторе машины непрерывного литья слитков: / — кристаллизатор, 2 — зернистый фильтр, 3 — распределительная коробка; 4 — стопор; 5 — миксер; 6 — слиток; 6 в ра д - ном тигле: / — зернистый фильтр; 2 — перфорированная плита, 3 — печь, 4 " чугунный тигель; г — в распределительной коробке: 1 — миксер; 2— стопор; 3 — зернистый фильтр, 4 — распределительная коробка; 5 — стопор; 6 — распределительная воР^ак кристаллизатор; 8 — слиток; д — в литниковой чаше: / — фильтр; 2 — литейная форма, 3 — полость литейной формы
Рис. 63. Схема расположения трубчатых керамических фильтров:Рис. 63. Схема расположения трубчатых керамических фильтров:1 — футерованная коробка; 2 — корундовая плита; 3 — керамические трубки; 4 — сливные отверстия; 5 — отверстие для выдачи фильтрованного металла1 — футерованная коробка; 2 — корундовая плита; 3 — керамические трубки; 4 — сливные отверстия; 5 — отверстие для выдачи фильтрованного металлаРис. 64. Схема установки для элек- трофлюсового рафинирования:Рис. 64. Схема установки для элек- трофлюсового рафинирования:/ — миксер; 2 — кольцевой электрод; 3 — флюс; 4 — кристаллизатор; 5 — слиток; 6 — пробка сливного отверстия; 7 — генератор тока; 8 — регулятор напряжения; 9 — переключатель/ — миксер; 2 — кольцевой электрод; 3 — флюс; 4 — кристаллизатор; 5 — слиток; 6 — пробка сливного отверстия; 7 — генератор тока; 8 — регулятор напряжения; 9 — переключатель
Рис. 63. Схема расположения трубчатых керамических фильтров:
Рис. 63. Схема расположения трубчатых керамических фильтров:
1 — футерованная коробка; 2 — корундовая плита; 3 — керамические трубки; 4 — сливные отверстия; 5 — отверстие для выдачи фильтрованного металла
1 — футерованная коробка; 2 — корундовая плита; 3 — керамические трубки; 4 — сливные отверстия; 5 — отверстие для выдачи фильтрованного металла
Рис. 64. Схема установки для элек- трофлюсового рафинирования:
Рис. 64. Схема установки для элек- трофлюсового рафинирования:
/ — миксер; 2 — кольцевой электрод; 3 — флюс; 4 — кристаллизатор; 5 — слиток; 6 — пробка сливного отверстия; 7 — генератор тока; 8 — регулятор напряжения; 9 — переключатель
/ — миксер; 2 — кольцевой электрод; 3 — флюс; 4 — кристаллизатор; 5 — слиток; 6 — пробка сливного отверстия; 7 — генератор тока; 8 — регулятор напряжения; 9 — переключатель
Очистка металлических расплавов от взвешенных включений при фильтровании через зернистые фильтры обусловлена механическими и адгезионными процессами. Первым из них принадлежит решающая роль при отделении крупных включений-и плен, вторым — при отделении тонкодисперсных включений. Зернистые фильтры задерживают лишь те включения, размер которых превышает эффективный диаметр межзеренных каналов. Чем меньше диаметр зерен фильтра и плотнее их укладка, тем выше уровень очистки расплавов от включений и плен. С увеличением толщины слоя фильтра эффективность очистки увеличивается.
Очистка расплавов от тонкодисперсных включений и их переход из расплава на поверхность зерен фильтра обусловлены убылью свободной энергии системы, пропорциональной работе адгезии включения к фильтру, величина которой может быть оценена уравнением
ггф = №ГФ - Ом cos ев - OM cos еф, где WVФ — работа адгезии включений к фильтру в среде расплавленного металла, мДж/м2; №г—ф — работа адгезии включений к фильтру в газообразной среде, мДж/м2; ом — поверхностное натяжение расплава, мДж/м2; 6Ф, 6В — краевые углы смачивания расплавом соответственно материала фильтра и включений, градусы.
Эффективность очистки зернистыми фильтрами возрастает по мере ухудшения смачивания фильтра и включений расплавом.
Для изготовления фильтров используют шамот, магнезит, алунд, кремнезем, сплавы хлористых и фтористых солей и другие материалы. Полнота удаления взвешенных неметаллических включений зависит от природы материала фильтра, размера зерна,, толщины фильтрующего слоя и металлостатического на-
Рис. 65. Технологическая проба Добат- кина — Зиновьева для определения наличия неметаллических включений и оксидных плеи: а — литая заготовка; б — осаженная заготовка; в — расположение надреза; г — излом
пора, определяющего скорость фильтрации. Максимальный эффект очистки получают при
а) г)использовании мелкозернистых
(4—6 мм в поперечнике) фильтров из материалов, характеризующихся наиболее высокой работой адгезии к неметаллическим включениям. Зернистые фильтры, так же как и сетчатые, устанавливают на пути перелива металла из миксера в форму (см. рис. 62). Заливку ведут таким образом, чтобы верхний уровень фильтра был покрыт слоем металла толщиной 10—15 мм, а истечение металла после фильтра происходило под затопленный уровень. В последние годы широкое применение нашли корундовые фильтры в виде плит толщиной 50 мм с фиксированным размером межзеренных каналов и трубчатые керамические фильтры с диаметром пор около 200 мкм, обеспечивающих глубокую очистку алюминиевых расплавов от тонкодисперсных неметаллических включений (рис. 63).
Самым эффективным методом очистки алюминиевых расплавов от плен и крупных неметаллических включений является Электрофлюсовое рафинирование (рис. 64). Оно предусматривает пропускание струй металла диаметром 5—7 мм через слой расплавленного хлоридно-фторидного флюса толщиной 100—150 мм с наложением поля постоянного тока силой 600—800 А и напряжением 6—12 В с катодной поляризацией металла.
Контроль рафинирования. Содержание неметаллических включений определяют методами химического анализа и отбором технологических проб. Ввиду сложности и трудоемкости химического метода количественного определения неметаллических включений для текущего контроля в цеховых условиях его не применяют. Наличие крупных включений и плен определяют по пробе Добаткина—Зиновьева (рис. 65). Для этой цели из исследуемого расплава отливают (или вырезают из слитка) заготовку диаметром 50 мм и длиной 150 мм. Заготовку в нагретом состоянии осаживают по длине в «галету» толщиной 30 мм (пятикратная осадка). После этого по плоскости, перпендикулярной направлению осадки, «галету» надрезают и ломают. По количеству и площади неметаллических включений в изломе судят о чистоте расплава (рис. 66). Удовлетворительным считается такой расплав, площадь неметаллических включений в котором по технологической пробе не превышает 0,05 мм2 на квадратный сантиметр площади излома.
Рис. 66. Изломы технических проб из нерафинированного (а) и рафинированного (0 сплавовРис. 66. Изломы технических проб из нерафинированного (а) и рафинированного (0 сплавовКачественную оценку загрязненности расплавов тонкодисперсными взвесями и водородом производят с помощью структурной пробы А. Г. Спасского и Е. Н. Кулагиной (рис. 67). Для этого небольшую порцию расплава заливают в подогретую до 150— 200 °C графитовую изложницу. Во время кристаллизации на поверхности пробы наблюдаются точечные разрывы оксидной пленки, представляющие собой следы пузырьков выделяющегося газа. Сравнивая пробу с эталонами, по числу разрывов судят о степени
Рис. 66. Изломы технических проб из нерафинированного (а) и рафинированного (0 сплавов
Рис. 66. Изломы технических проб из нерафинированного (а) и рафинированного (0 сплавов
Рис. 67. Изложница для отбора структурной пробы А. Г. Спасского н Е. Н. КулагинойРис. 67. Изложница для отбора структурной пробы А. Г. Спасского н Е. Н. КулагинойРис. 68. Схема установки для получения вакуум-пробы:
Рис. 67. Изложница для отбора структурной пробы А. Г. Спасского н Е. Н. Кулагиной
Рис. 67. Изложница для отбора структурной пробы А. Г. Спасского н Е. Н. Кулагиной
/ — тигель с металлом; 2 — стеклянный колпак; 3 — манометр
Рис. 69. Эталоны газонасыщениости сплавов по вакуум-пробе
газонасыщенности. Загрязненность тонкодисперсными взвесями оценивают размером макрозерна на поверхности пробы. Малому содержанию взвесей соответствует крупное зерно. Степень загрязненности определяется сопоставлением структурной пробы с эталонами.
О содержании газов в расплаве можно также судить по вакуум-пробе, получаемой на установке, схема которой показана на рис. 68. Для вакуум-пробы прокаленным графитошамотным тиглем марки 02 отбирается небольшая порция жидкого сплава 1 при температуре 720—730 °C. Этот металл охлаждают при пониженном давлении под вакуумным колпаком 2 до полной кристал-
Рис. 70. Установка для определения содержания водорода по методу Дардела— Гудченко:
/ — вакуумная камера; 2 — печь; 3 — тигель с металлом; 4 — крышка; 5 — смотровое окно; 6 — ртутный манометр; 7 — трехходовой кран; 8 — вакуумный насос; 9 термопара; 10 — потенциометр
Таблица 26
Значения коэффициентов А и В для алюминиевых деформируемых сплавов
Группа
Сплавы
Массовая доля Mg, %
Коэффициенты
А
В
I
А7, А5, АД1, АМц
2760
0,29
II
Д1, АВ, АДЗЗ, АК6, АК8
0,4—1,0
2750
0,23
III
АК4, Д16
1,1—1,7
2730
0,39
IV
АМг2, В95
1,8—2,8
2714
0,42
V
АМгЗ, В96
2,9—4,9
2682
0,46
VI
АМг5
4,1—5,5
2640
0,49
VII
АМгб
6,5
2606
0,54
лизации. Уменьшение внешнего давления до 1000 Па, которое контролируется с помощью манометра 3, способствует более полному выделению растворенных газов. Под действием давления выделяющихся газов поверхность металла в тигле приобретает выпуклое очертание. На поверхности разреза затвердевшего слитка наблюдаются газовые раковины. Сравнивая разрез вакуум-пробы с эталонами (рис. 69) или определяя ее плотность, судят о степени газонасыщенности.
Количественная оценка газосодержания в цеховых условиях осуществляется по методу Дардела—Гудченко на установке, схема которой показана на рис. 70. Метод основан на равенстве парциальных давлений газа в металле и окружающей среде в условиях равновесия системы. Для определения содержания растворенного газа пробу жидкого металла помещают в вакуумную камеру 1 и выдерживают ее при постоянной температуре, постепенно уменьшая давление над расплавом до появления первого пузырька газа, выделяющегося из металла. Момент выделения первого пузырька, при условии наличия на алюминии и его сплавах плотной оксидной пленки, задерживающей диффузию водорода, соответствует равенству парциальных давлений газа в расплаве и пузырьке. Зная остаточное давление и температуру расплава в момент выделения первого пузырька, содержание водорода в расплаве определяют по уравнению
lg SH, = -А[Т + В + lg PHJ2,
где SH, — содержание водорода в расплаве, см3/100 г; Д и В — коэффициенты; Т — температура. К; Рн, — давление водорода, Па.
Коэффициенты Д и В зависят от содержания в сплавах магния. По этому признаку алюминиевые сплавы подразделяют на семь групп (табл. 26).
Для более быстрого определения содержания водорода по значениям Т и Р используют номограммы, аналогичные приведенной на рис. 71.
1,5 2,0 3,0 М,0 5,0 6,0 8,0 10 15Рн,кПи1,5 2,0 3,0 М,0 5,0 6,0 8,0 10 15Рн,кПиРис. 71. Номограмма для определения содержания водорода в сплавах I группы (см. табл. 26) по методуДардела—Гудченко(Цифры у кривых — температура металла, °C, при анализе)Рис. 71. Номограмма для определения содержания водорода в сплавах I группы (см. табл. 26) по методуДардела—Гудченко(Цифры у кривых — температура металла, °C, при анализе)
1,5 2,0 3,0 М,0 5,0 6,0 8,0 10 15Рн,кПи
1,5 2,0 3,0 М,0 5,0 6,0 8,0 10 15Рн,кПи
Рис. 71. Номограмма для определения содержания водорода в сплавах I группы (см. табл. 26) по методуДардела—Гудченко
(Цифры у кривых — температура металла, °C, при анализе)
Рис. 71. Номограмма для определения содержания водорода в сплавах I группы (см. табл. 26) по методуДардела—Гудченко
(Цифры у кривых — температура металла, °C, при анализе)
Оборудование, инструмент и материалы
Шахтная печь электросопротивления с автоматическим регулированием температуры, установка для получения вакуум- пробы, установка Дардела—Гудченко, технические и аналитические весы с разновесами, опоки, графитошамотные тигли, набор плавильно-заливочного инструмента, набор формовочного инструмента, набор инструментов и материалов для изготовления и травления микрошлифов, силумин марки СИЛО или СИЛ1, алюминий первичный А8 (99,8 % А1) или А7 (99,7 % А1), лигатуры алюминий—медь (50 % Си), алюминий—марганец (10 % Мп), магний первичный МГ90 или МГ95, возврат сплавов АЛ4, АЛ9, Д16, АК6 и АМгб, хлористые соединения NaCl, КС1, МпС12, MgC2-KCl, С2С1в, фтористые соли Na3AlF6, K3AlFe, K2S1F6, CaF2.
Порядок проведения работы
Работа рассчитана на 4 ч.
Ознакомиться с оборудованием и приборами, изучить инструкцию по технике безопасности.
Рассчитать и взвесить шихту для приготовления 1,5 кг одного из сплавов, приведенных в табл. 25. Марку сплава, виды и количество используемых в шихте отходов указывает преподаватель.
В нагретый тигель, установленный в плавильной печи, загрузить алюминий, отходы, лигатуру и расплавить их. Контролировать температуру.
При температуре 700—720 °C ввести в расплав магний. Навеску магния погружают на дно с помощью «колокольчика».
Установить степень загрязненности сплава неметаллическими включениями по пробе Добаткина—Зиновьева или по структурной пробе. Травление структурной пробы ведут в растворе Келлера (20 мл HNO3, 20 мл НС1, 5 мл HF, 55 мл Н2О) или в растворе следующего состава, %: 20—30 СиС12, 70—80 Н2О. Затем пробы осветляют концентрированной азотной кислотой.
Дегазаторы для рафинирования алюминиевых сплавов
Таблица 27
Нойер
Состав, %
Необходимое количество от м-ассы металла, %
1
100 С2С1в
0,1—0,5
2
90 С2С1в, 10 KaSiF,
0,1—0,5
3
100 МпС12
0,1—0,5
4
90 МпС12, 10 K2SiFe
0,1—0,5
Флюсы для рафинирования
Таблица 28
Номер
Состав, %
Необходимое количество от массы металла, %
1
47 КС1, 30 NaCl, 23 Na3AlFe
0,5—1,0
2
85 MgCl2-KCl, 15 CaF2
0,5—1,0
3
90 MgCl2-KCl, 10 KaAlFe
0.5—1,0
4
45 KC1, 45 NaCl, 10 K2SiFe
0,5—1,0
5
45 KC1, 45 NaCl, 10 КзА1Рв
0,5—1,0
Определить газонасыщенность сплава по методу Дардела— Гудченко или по структурной пробе путем оценки балла пористости по ГОСТ 1583—73. По указанию преподавателя качественная оценка содержания водорода может быть проведена по вакуумной пробе. Плотность вакуум-пробы определяют методом гидростатического взвешивания с точностью до 0,01 г и рассчитывают по формуле
Р = PiPh,o/(Pi — Pi),
где Рх, Рг — вес образца на воздухе и в воде, Н; рн,о — плотность воды, кг/м3.
Провести дегазацию сплава одной из солей, указанных в табл. 27. Навеску соли вводить на 2/3 глубины расплава с помощью «колокольчика». Выдержать расплав в течение 10—15 мин и удалить с его поверхности шлак. Операцию рафинирования и последующую выдержку проводить при температуре 720—740 °C. Определить газосодержание расплава.
193193Провести рафинирование сплава флюсом, состав которого выбрать по согласованию с преподавателем из табл. 28. Флюс засыпать на поверхность металла и интенсивно замешать в объем расплава ложкой. Температура рафинирования 720—740 иС. Удалить шлак, определить загрязненность сплава неметаллическими включениями и содержание газов.
193
193
7 П/р А. В. Курдюмова
Результаты наблюдений и их обработка
Результаты изучения технологических проб представить в виде таблицы.
Вид обработки расплава
Число пор иа 1 см2 пробы, шт.
Средний размер зерна технологической пробы, мм
Результаты замеров плотности вакуумных проб и исследования их пористости свести в таблицу.
Вид обработки расплава
Плотность вакуумной пробы, кг/м8
Пористость вакуумной пробы, %
Число пор, шт., на 1 см2 шлифа размером, мм
Балл пористости
0,1
0,2—0,5
0,6—1,0
При определении плотности вакуумной пробы гидростатическим взвешиванием оценить погрешность измерения по результатам трех—пяти замеров и объяснить причину большой дисперсии результатов.
Содержание отчета
L Расчет шихты для выплавки сплава заданного состава.
Краткое описание технологии плавки и рафинирования сплава.
Методика определения содержания газов.
Схема установки для определения содержания водорода по методу Дардела—Гудченко и номограмма для заданного сплава.
Методика оценки загрязненности сплавов неметаллическими включениями.
Результаты исследований.
Выводы.
Контрольные вопросы
Какими способами осуществляют дегазацию расплавов?
В чем сущность дегазации вакуумированием? При каких обстоятельствах ее осуществляют?
Какова сущность механизма дегазации продувкой расплавов инертными и активными газами, обработкой хлоридами?
Сколько рафинирующего газа н хлоридов расходуется на тонну расплава?
В чем состоит сущность дегазации ультразвуковыми колебаниями?
Какие хлориды используют для рафинирования расплавов? Какую подготовку они проходят перед введением в расплав?
194
Какой из способов дегазации наиболее эффективен?
Какие методы используют для очистки расплавов от неметаллических включений? Какой из них наиболее эффективен?
При каких температурах целесообразно проводить дегазацию и очистку от неметаллических включений расплавов хлористым цинком и хлористым марганцем?
Как определить скорость всплывания включений известной плотности и размеров?
Какие методы контроля используют для оценки содержания неметаллических включений?
Какие параметры зернистых фильтров обеспечивают оптимальные условия очистки алюминиевых расплавов от крупных включений и плен?
Как отражается природа материала фильтра на эффективности очистки расплавов от неметаллических включений н плен?
Какой механизм лежит в основе очистки расплавов от дисперсных включений при фильтровании через зернистые фильтры?
В чем сущность электрофлюсового рафинирования?
Работа 36
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ТИТАНА И БОРА НА РАЗМЕР ЗЕРНА ОТЛИВОК ИЗ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ
Общие сведения
Для измельчения макрозерна, уменьшения размеров выделений первично кристаллизующихся фаз и фаз, входящих в эвтектики, а также для изменения формы выделений хрупких и легкоплавких фаз, алюминиевые сплавы подвергают модифицированию.
Модифицирование (измельчение макроструктуры) алюминиевых сплавов не оказывает существенного влияния на их прочность при обычных температурах. Наблюдается лишь некоторое увеличение пластичности деформированных полуфабрикатов и стабильности свойств вследствие уменьшения анизотропии структуры. При модифицировании существенно возрастают технологические свойства алюминиевых сплавов — уменьшается склонность сплавов к образованию горячих трещин, изменяются форма и распределение усадочных дефектов. Распределение пор становится более равномерным, что вызывает увеличение технологической пластичности сплавов.
Улучшение комплекса литейных свойств сплавов в результате измельчения зерна обусловлено снижением температуры начала линейной усадки, т. е. температуры образования кристаллического каркаса в сплаве в интервале кристаллизации. Крупные кристаллы, представляющие собой в процессе роста сильно разветвленные дендриты с осями первого, второго и третьего порядков, имеют большую поверхность контакта с расплавом (рис. 72, а). Отдельные ветви дендритов при температуре вблизи ликвидуса образуют кристаллический каркас, вызывающий начало6 линейной усадки и затрудняющий питание отливки. Из-
7*195
Рис. 72. Структуры сплава АМгб:Рис. 72. Структуры сплава АМгб:а — немодифицнрованного, X SO; б — модифицированного, Х100; в *~* предельно модифицированного, Х25Са — немодифицнрованного, X SO; б — модифицированного, Х100; в *~* предельно модифицированного, Х25С
Рис. 72. Структуры сплава АМгб:
Рис. 72. Структуры сплава АМгб:
а — немодифицнрованного, X SO; б — модифицированного, Х100; в *~* предельно модифицированного, Х25С
а — немодифицнрованного, X SO; б — модифицированного, Х100; в *~* предельно модифицированного, Х25С
мельчение макрозерна препятствует развитию их дендритного строения. В зернах хорошо модифицированного сплава различаются только оси первого и редко второго порядков (рис. 72, б).
В предельно модифицированных сплавах образуется так называемая недендритная структура, представляющая собой конгломерат зерен, имевших в процессе роста форму, близкую к сферической (рис. 72, е). Естественно, что сплавы, состоящие из зерен с неразвитым дендритным строением, не образуют кристаллического каркаса практически до температуры солидуса. Питание отливки в этих условиях является наиболее благоприятным, особенно при большом температурном градиенте затвердевания, что имеет место, например, при непрерывном литье слитков. Модифицирование увеличивает жидкотекучесть сплавов и заполняемость формы вследствие уменьшения температуры нулевой жидкотекучести.
Механизм модифицирования. Измельчение макроструктуры алюминиевых сплавов осуществляется введением в расплав элементов, образующих с компонентами сплава тугоплавкие соединения (TiAI3, ZrAl3, TiB2 и др.), обладающие однотипной кристаллической решеткой и размерным соответствием ее параметров в некоторых кристаллографических плоскостях с кристаллическими решетками a-твердых растворов алюминия, или готовых центров кристаллизации в виде лигатур соответствующих элементов с алюминием. При этом модификаторами следует называть элементы, вызывающие измельчение структуры при небольшом их содержании (<0,1 %).
Центрами кристаллизации могут быть соединения, отвечающие требованиям принципа Данкова—Конобеевского.
Энергия образования зародыша, которая определяется межфазными свойствами контактирующих фаз, должна быть минимальной. Низкая энергия образования зародышей «-твердого раствора А1 на границе Al—TiAl3, Al—ZrAl3 объясняется идеальным кристаллографическим соответствием плоскостей решеток (100)TiAiJ (100)ai, (100)zrAi,|l (ЮО)аь имеющих расхождение параметров не более 5 % в твердом состоянии. Физическое соответствие контактирующих фаз характеризуется равенством числа свободных электронов в пересчете на один атом (три электрона 196
на атом). Именно благодаря близости концентрации свободных электронов в зародыше и алюминиевом сплаве на их границе имеет место низкая межфазная энергия. В реальных условиях затвердевания центрами кристаллизации могут быть только фазы, зарождение кристаллов a-твердого раствора А1 на которых происходит при переохлаждении не более нескольких градусов.
Благоприятные термодинамические свойства зародышей являются необходимыми, но недостаточными для получения стабильного эффекта модифицирования. Необходимо, чтобы центры кристаллизации выделялись в очень дисперсном виде (не более 1 мкм), образуя при этом устойчивую взвесь, не склонную к коагуляции и седиментационному расслоению во время длительной выдержки расплава в миксере и в процессе литья.
Алюминиды титана и циркония выделяются в виде сравнительно крупных кристаллов иглообразной формы, размеры которых сильно зависят от скорости охлаждения, перегрева, длительности выдержки расплава. Более дисперсные и стабильные интерметаллоиды образуются при совместном введении титана и бора. Бор образует тугоплавкие, нерастворимые в алюминиевом расплаве соединения TiB2, А1В2, (Ti, Al) В2, которые имеют размер менее 1 мкм и компактны по форме. В период кристаллизации на боридах выделяется слой алюминида титана, а на нем зарождаются кристаллы «-твердого раствора алюминия.
Технология модифицирования. В промышленности для модифицирования алюминиевых сплавов в большинстве случаев применяют титан или титан совместно с бором, которые вводят чаще всего в виде лигатуры AlTi5B (5 % Ti, 1 % В). Соотношение Ti : В = 5 : 1 является оптимальным. Количество вводимого модификатора зависит от состава сплава, качества модифицирующей лигатуры, условий ее введения и режимов литья. В этой связи к лигатуре предъявляют определенные требования: в ней не должны встречаться крупные интерметаллиды, а их фазовый состав должен соответствовать заданному. Крупные интерметаллиды не растворяются в. расплаве при его модифицировании и переходят в слиток, образуя затем соответствующие дефекты в полуфабрикатах.
В лабораторной работе ставится задача определения оптимальных термовременных режимов модифицирования деформируемых сплавов лигатурой AlTi5B и нахождения ее оптимального количества. Ввиду сложности приготовления лигатуры с тонкими выделениями интерметаллидов, распространен метод введения титана и бора с помощью солей. Для этой цели применяют смеси солей типа модифицирующего препарата «Зернолит», содержащего 55 % K2TiF6, 30 % KBF4 и 15 % QCle- Титан и бор образуются при обработке расплава в результате протекания следующих реакций:
3K3TiF6 + 4А1 -^ 2K3A1F6 + 2A1F3 + 3Ti;
3KBF4 + 3A1 -^ K3A1F6 + 2A1F3 + 3B.
Фтортитан и фтороборат калия целесообразно вводить в алюминиевый расплав в смеси с хлоридами натрия и калия (35 % NaCl, 35 % КС1, 20 % KgTiFg, 10 % KBF4), что позволяет увеличить степень усвоения модифицирующих элементов. Кроме того, модифицирующий флюс этого типа в процессе обработки расплава находится в жидком состоянии и дополнительно оказывает рафинирующее действие. Обработка расплава солями проводится при температуре 720—-750 °C. Расход флюсов составляет 0,2— 1,0 % массы расплава.
Оборудование, инструмент и материалы
Шахтная печь электросопротивления с автоматическим регулированием температуры, потенциометр для измерения температуры расплава, переносная хромель-алюмелевая термопара, графитовая изложница диаметром 50 мм, технические и аналитические весы, прибор конструкции И. Ф. Большакова, полировальная установка, слесарные инструменты, набор плавильно-заливочного инструмента, набор инструментов и материалов для изготовления и травления макро- и микрошлифов, рукавицы, защитные очки, фартук или халат, силумин марки СИЛО или СИЛ1, алюминий первичный А8 или А7, лигатуры: алюминий—медь (50 % Си), алюминий—марганец (10 % Мп), алюминий—титан—бор (5 % Ti, 1 % В), магний первичный Мг90 или Мг95, возврат сплавов АЛ4, АЛ9, Д16, АК6, АМгб, хлористые соединения NaCl, КС1, С2С1в, фтористые соли K2T1F6, KBF4.
Порядок проведения работы
Работа рассчитана на 4 ч.
Рассчитать и взвесить шихту для получения сплава заданного состава массой 500 г. Загрузить шихту в горячий тигель, установить тигель в печь.
Рассчитать массу каждой порции одного из модификаторов, приведенных в табл. 29. Состав и количество модификатора согласовать с преподавателем.
Подготовить литейные формы для отливки образцов диаметром 50 мм на исследование макроструктуры и линейной усадки е.
Модификаторы
Таблица 29
Номер
Состав, %
Необходимое количество от массы металла, %
I
94 А1, 5 Ti, 1 В
0,2—1,0
2
55 K2TiF6, 30 KBF4, 15 С2С16
35 NaCl, 35 КС1, 20 K2TiFe, 10 KBF4
0,1—0,5
3
0,5—2,0
Отлить образцы из немоднфицированного сплава при температуре 700—720, 800—820 или 900—920 °C по указанию преподавателя.
Провести модифицирование сплава. Для этого ввести в расплав модификатор в виде лигатуры или смеси солей при температуре 720—750 °C и перемешать. После 10-минутной выдержки с поверхности расплава удалить шлак и при заданной температуре отлить образцы для исследования макроструктуры и определения величины е и температуры /н.л. у начала линейной усадки.
В остаток расплава ввести вторую порцию модификатора и повторить операции, перечисленные в п. 5.
В остаток расплава ввести третью порцию модификатора и повторить операции, перечисленные в п. 5.
Определить величину и температуру начала линейной усадки. Промаркировать полученные образцы.
Изготовить макрошлифы. Травление макрошлифов проводить в «царской водке» или в растворе следующего состава, %: 20—30 СиС12, 70—80 Н2О, затем осветлить их концентрированной азотной кислотой. Из исходного образца и образца с максимальным содержанием модификатора изготовить микрошлифы. Травить шлифы раствором Келлера.
Исследовать структуру образцов. Размер макрозерна определить на шлифах методом случайных секущих визуально и вычислить по формуле
d3 = L/N,
где L — длина секущей; N — число зерен на секущей.
Число секущих должно быть не менее пяти, длина отдельной линии 30—40 мм.
Зарисовать макро- и микроструктуры исходного и модифицированного сплавов.
Результаты наблюдений и их обработка
Результаты измерения представить в виде таблицы.
Провести статистическую обработку результатов определения размера макрозерна пробы. Найти доверительный интервал при вероятности 0,95.
Построить графические зависимости d3, е и /н. л. у от количества модификатора.
МодификаторМодификаторКоличество, %Количество, %d3, ммd3, ммГ %Г %^н. л. у Рс^н. л. у Рс
Модификатор
Модификатор
Количество, %
Количество, %
d3, мм
d3, мм
Г %
Г %
^н. л. у Рс
^н. л. у Рс
Содержание отчета
>1. Краткое описание теории и технологии модифицирования
сплава.
Таблицы.
Графики.
Рисунки микро- и макроструктуры сплава до и после модифицирования.
Выводы.
Контрольные вопросы
Какие цели преследует модифицирование?
В чем состоит механизм модифицирующего действия переходных металлов?
Как оценивают эффект модифицирования?
На какие свойства алюминиевого сплава влияет модифицирование?
Какие элементы применяют для модифицирования макрозерна?
Какие соединения являются центрами кристаллизации алюминия?
В каком виде вводят модифицирующие элементы в расплав?
Какой состав имеет модифицирующий препарат «Зернолит»?
Работа 37
ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ МОДИФИЦИРУЮЩЕГО ДЕЙСТВИЯ НАТРИЯ, СТРОНЦИЯ и ФОСФОРА.
ВЛИЯНИЕ СКОРОСТИ ОХЛАЖДЕНИЯ НА СТРУКТУРУ СИЛУМИНОВ
Общие сведения
Силумины наиболее распространенные литейные алюминиевые сплавы, обладающие хорошим сочетанием технологических и эксплуатационных свойств. Однако при литье доэвтектических силуминов в разовые формы или при получении толстостенных отливок литьем в кокиль из-за грубого выделения кремния в эвтектике невозможно обеспечить необходимый уровень механических свойств. В немодифицированном сплаве эвтектический кремний кристаллизуется в виде пластин, длина которых достигает 100 мкм (рис. 73, а). Такая форма кремния придает сплаву низкие пластические свойства, его разрушение идет по хрупкой фазе кремния при относительном удлинении 1—3 %. Поэтому доэвтектические силумины, содержащие более 6 % Si (АЛ2, АЛ4, АЛ9), в целях измельчения выделений эвтектического кремния подвергают модифицированию.
Модифицирование осуществляют введением в расплав поверхностно-активных элементов (натрий, стронций, литий и др.), которые затрудняют рост пластин кремния. Пластинчатая форма кристаллов кремния переходит в компактную почти равноосную с длиной кристаллов кремния 2—5 мкм (рис. 73, б). Дисперсность кремния в эвтектике, которая характеризуется длиной кристал- 200
Рис. 73. Микроструктуры немодифицированного (а) и модифицированного (б) доэвтектического силумина, Х200Рис. 73. Микроструктуры немодифицированного (а) и модифицированного (б) доэвтектического силумина, Х200
Рис. 73. Микроструктуры немодифицированного (а) и модифицированного (б) доэвтектического силумина, Х200
Рис. 73. Микроструктуры немодифицированного (а) и модифицированного (б) доэвтектического силумина, Х200
лов кремния, расстоянием между кристаллами или ветвями дендритов, зависит также и от скорости охлаждения (кристаллизации) сплава.
уравнениями:уравнениями:Теория эвтектической кристаллизации, в количественной форме разработанная Тиллером и Джексоном, связывает дисперсность структуры эвтектики и условия ее образования следующими
уравнениями:
уравнениями:
VR = В (А;
At = 2 ДА АВ VR;
AtK = 2В,
где X — расстояние между пластинами кремния в эвтектике, мкм; R—скорость кристаллизации, мкм/с; А, В — константы, зависящие от свойств сплава; At — изменение температуры кристаллизации эвтектики, °C.
Применительно к двойному сплаву А1 —12 % Si, модифицированному натрием и стронцием, константы А и В имеют следующие значения:
Сплав А1—Si Al—Si—Sr Al Si Na
A. .0,010,060,22
В 25,013,010,0
Константа В пропорциональна межфазному натяжению на границе кристалл—расплав. Поэтому поверхностно-активные элементы вызывают измельчение эвтектики. Константа А обратно пропорциональна скорости диффузии кремния в эвтектике. Модификаторы, особенно натрий, сильно уменьшают коэффициент диффузии кремния в алюминии и соответственно увеличивают константу А. Следовательно, модифицирование силуминов про-
Таблица 30
Составы модификаторов и режимы модифицирования алюминиевых сплавов
Номер смеси
Состав, %
Количество модификатора, %
Расчетное количество модифицирующего элемента, %
Температура модифицирования, CC
1
100 Na
0,05—0,10
0,05-0,10 Na
750—780
2
67 NaF, 33 NaCl
1,00—2,00
0,05—0,10 Na
780—810
3
62,5 NaCl, 25 NaF, 12,5 KC1
1,00—2,00
0,05—0,10 Na
730—750
4
50 NaCl, 30 NaF, 10 KC1,
0,50—1,00
0,05—0,10 Na
720—750
10 Na3AlF6
5
35 NaCl, 40 KC1, 10 NaF,
1,00—1,50
0,05—0,10 Na
740—760
15 Na3AlF6
6
90 Al, 10 Sr (лигатура)
0,60—0,80
0,06—0,08 Sr
750—780
7
90 Cu, 10 P (лигатура)
0,50—1,00
0,05—0,10 P
790—820
8
20 P, 10 K2ZrF6, 70 KC1
1,50—2,00
0,05—0,10 P
790—825
9
8 P, 58 K2ZrF6, 34 Al
0,30—0,40
0,05—0,10 P
790—825
исходит преимущественно по диффузионному механизму, поскольку константа В уменьшается только в 2—2,5 раза, константа А увеличивается при этом в 6—22 раз. Переохлаждение в модифицированных сплавах алюминия с кремнием достигает 6—15 °C и при постоянных тепловых условиях кристаллизации зависит от количества модификатора. Для натрия и стронция зависимости переохлаждения от их концентрации описываются следующими корреляционными уравнениями (литье в песчаную форму):
A/Na = 5,47 In (1 + 0,4.108CNa);
MSr = 1,7 ln(l + 0,5-104CSr),
где CNa, CSr — концентрации натрия и стронция в сплаве.
Зависимость дисперсности структуры эвтектики от переохлаждения расплава при кристаллизации и содержания модификатора позволяют контролировать качество модифицирования расплава путем сопоставления кривых охлаждения, снятых до и после модифицирующей обработки. Например, при литье в песчаные формы хорошо модифицированная структура достигается при содержании в силумине 0,006—0,012 % Na, чему соответствует переохлаждение М = 6ч-10 °C. При меньшем переохлаждении структура сплава модифицирована недостаточно.
В сплавах заэвтектического состава необходимо измельчать первичные кристаллы кремния. Модифицирование достигается путем введения центров кристаллизации, например фосфида алюминия (А1Р).
В производственных условиях для модифицирования микроструктурных алюминиевых сплавов используют модификаторы, приведенные в табл. 30.
Модифицирование двойным модификатором (см. табл. 30, смесь № 2) ведут при температуре 780—810 °C, при использовании тройного модификатора (см. табл. 30, смесь № 3) обработку расплава ведут при 730—750 °C. Модификатор в количестве 1— 2 % массы расплава ровным слоем засыпают на поверхность последнего. При температуре модифицирования металл с двойным модификатором выдерживают 12—15 мин, при использовании тройного модификатора 6—7 мин При этом происходит взаимодействие 6NaF + Al X NagAlFe + 3Na — 200 кДж/моль. Выделяющийся натрий оказывает модифицирующее действие. Для ускорения протекания реакции и насыщения сплава натрием флюс замешивают в расплав на глубину 50—100 мм. После удаления шлака расплав в течение 20—30 мин разливают по формам.
Целесообразно модифицировать силумины универсальным флюсом следующего состава, %: 50 NaCl, 30 NaF, 10 КО, 10 NasAlFe. Порошок сухого флюса в количестве 0,5—-1 % массы расплава засыпают под струю металла при переливе из плавильной печи в ковш. Струя энергично замешивает флюс в расплав. Процесс идет при температуре 720—750 °C. Этот способ модифицирования приводит к измельчению кремния в эвтектике и очистке сплава от неметаллических включений.
Хорошими модифицирующими свойствами относительно эвтектики обладает стронций. В отличие от натрия этот элемент значительно медленнее выгорает из алюминиевого расплава и является модификатором длительного действия (более 5—6 ч). Кроме того, стронций не увеличивает в такой мере, как натрий, окисляемость алюминиевых сплавов, их склонность к газонасы- щению и объемную усадку. Стронций вводят в алюминиево- кремниевые сплавы в количестве 0,01—0,05 % в виде лигатуры Al—Sr.
При литье алюминиево-кремниевых сплавов в кокиль в качестве модификатора рекомендуют применять сурьму. Это модификатор длительного действия, который вводят в количестве 0,1 -0,3 % в виде чистого металла. Сурьма практически не выгорает из расплава.
Качество модифицирования оценивают по излому и микроструктуре. Излом модифицированного сплава характеризуется мелким зерном светло-серого цвета. По микроструктуре эффективность модифицирования оценивается длиной частиц кремния в эвтектике: в немодифицированной структуре длина частиц достигает 100 мкм, в хорошо модифицированной эвтектике — 3— 5 мкм. В последней частицы имеют форму, близкую к равноосной.
Заэвтектические силумины (18—25 % Si) в литом состоянии имеют грубую структуру — кремний выделяется в виде крупных кристаллов, затрудняющих обработку отливок резанием и снижающих литейные и механические свойства. Модифицирование этих сплавов осуществляют фосфором в количестве 0,05—0,1 %.
Для этой цели используют модификаторы № 7—9 (см. табл. 30). Модификатор № 9 представляет собой смесь K2ZrFe, красного фосфора и порошка алюминия. Модифицирование заэвтектиче- ских силуминов ведут при температуре 780—820 °C. После модифицирования расплав рафинируют хлористым марганцем и заливают в литейные формы.
Оборудование, инструмент и материалы
Шахтная печь электросопротивления с автоматическим регулированием температуры, хромель-алюмелевая термопара с электродами диаметром 0,1—0,2 мм, самопишущий потенциометр КСП-4 или электронный милливольтметр с печатающим устройством, песчаная и чугунная формы диаметром 20 мм, микроскоп МИМ-7, технические и аналитические весы, набор слесарного инструмента, набор плавильно-заливочного инструмента, тигли графитошамотные, силумин марки СИЛО или СИЛ1, лигатуры А1 — 10 % Sr; Си — 10 % Р, соли для изготовления модифицирующих флюсов (NaCl, КС1, NaF, Na3AlF6, K2ZrF6), шлифовальная шкурка, оксид хрома, алмазная паста, плавиковая кислота, рукавицы, защитные очки, фартук.
Порядок проведения работы
Работа рассчитана на 4 ч.
Навесить шихту в количестве 500 г и загрузить ее в печь.
Рассчитать количество модификатора и подготовить его для введения в расплав.
Изготовить песчаную форму для отливки трех-четырех образцов.
Подготовить к работе потенциометр и шесть сменных термопар с равными термоэлектрическими свойствами и установить по одной термопаре в песчаную и металлическую формы (по центру образцов).
После достижения металлом температуры 700 °C залить его поочередно в песчаную и металлическую формы и снять кривые охлаждения.
Провести модифицирование расплава по указанию преподавателя, вновь залить образцы и снять термограммы, определить переохлаждение.
Надпилить и сломать образцы. Описать вид поверхности излома пробы.
Изготовить микрошлиф и протравить его 0,5 %-ным раствором плавиковой кислоты.
На микроскопе при увеличении 200 методом случайных секущих определить длину кристаллов кремния и расстояние между частицами кремния в эвтектике. Замеры проводить в центре образца в трех-четырех полях по трем—пяти секущим.
Результаты наблюдений и их обработка
Результаты измерений представить в виде таблицы.
Состояние расплава
Форма
Скорость охлаждения, °С/с
Переохлаждение, °C
Длина кристаллов кремния
Расстояние между частицами кремния
мкм
По кривой охлаждения в интервале 600—700 °C определить скорость охлаждения.
Зарисовать микроструктуры сплава до и после модифицирования.
Вычислить константу В для сплава каждого состава. Определить зависимость величины переохлаждения сплава от скорости охлаждения. Построить графические зависимости переохлаждения и дисперсности структуры от количества модификатора с указанием доверительного интервала для X при вероятности 0,95.
Содержание отчета
Краткое описание теории и технологии модифицирования силуминов.
Описание-условий проведения экспериментов (составы сплавов, лигатуры, температурные режимы, расчеты шихты).
Таблицы, расчеты констант и графические зависимости.
Рисунки микроструктур сплава до и после модифицирования.
Выводы.
Контрольные вопросы
Какие цели преследуют при модифицировании?
В чем состоит механизм модифицирующего действия модификаторов?
С каким минимальным содержанием кремния доэвтектические силумины подвергают модифицированию?
Какие модификаторы применяют для модифицирования доэвтектических силуминов?
Какие модификаторы используют для модифицирования заэвтектических силуминов?
Какие соли входят в состав двойного модификатора?
В каком виде вводят в расплав натрий, стронций и сурьму?
Какое количество двойного модификатора необходимо для модифицирования?
При каких температурах осуществляют модифицирование на поверхности расплава?
Сколько времени выдерживают двойной модификатор на поверхности расплава?
Какие соли входят в состав тройного модификатора?
При каких температурах осуществляют модифицирование тройным модификатором?
Сколько времени сохраняется эффект модифицирования натрием, стронцием и сурьмой?
Как оценивают эффект модифицирования?
Какие свойства алюминиевого сплава улучшаются при модифицировании?
Работа 38
ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ
РАЗЛИЧНЫХ МЕТОДОВ РАФИНИРОВАНИЯ МАГНИЕВЫХ СПЛАВОВ ОТ ОКСИДНЫХ ПЛЕН И ШЛАКОВЫХ ВКЛЮЧЕНИЙ
Общие сведения
Для изготовления фасонных отливок используют магниевые сплавы трех групп.
Сплавы первой группы. Сплавы системы магний—алюминий — цинк (МЛЗ, МЛ4, МЛ5, МЛ6) предназначены для производства высоконагруженных отливок, работающих в атмосфере с большой влажностью. Для повышения коррозионной стойкости в сплавы вводят 0,1—0,5 % марганца, а для снижения окисляемости 0,001— 0,002 % бериллия или 0,5—0,1 % кальция. Сплавы этой группы относят к числу высокопрочных. Основным упрочнителем в них является алюминий, растворимость которого в магнии при эвтектической температуре составляет 17,4 %, а при нормальной температуре 2,8 %. Цинк также упрочняет магний, но менее эффективно, чем алюминий.
Сплавы второй группы. Сплавы системы магний—цинк—цирконий (МЛ8, МЛ 12) также относят к числу высокопрочных. Они отличаются от других групп магниевых сплавов повышенными механическими свойствами и хорошей обрабатываемостью резанием. Легирование их лантаном улучшает литейные свойства, несколько повышает жаропрочность и свариваемость, но снижает прочность и пластичность при нормальной температуре. Эти сплавы обладают удовлетворительными литейными свойствами, имеют измельченное цирконием зерно, способны упрочняться при термической обработке, из них можно получать отливки с однородными свойствами в различных по толщине сечениях.
Сплавы второй группы используют для изготовления отливок, работающих при 200—250 °C и высоких нагрузках.
Сплавы третьей группы. Сплавы системы магний — редкоземельный элемент — цирконий (МЛ 10, МЛН, МЛ 19) обладают высокой жаропрочностью и хорошей коррозионной стойкостью. Они предназначены для длительной работы при 250—350 °C и кратковременной работы при 400 °C. Эти сплавы имеют хорошие литейные свойства, высокую герметичность, малую склон-
ность к образованию микрорыхлот и усадочных трещин, высокие и однородные механические свойства в сечениях различной толщины. Сплавы с редкоземельными элементами применяют для изготовления отливок, работающих под воздействием статических и усталостных нагрузок.
Для изготовления отливок чаще других используют сплавы первой группы. Из них лучшими литейными свойствами обладают сплавы МЛ5 и МЛ6. Из них изготовляют высоконагруженные отливки, работающие в тяжелых атмосферных условиях (высокая влажность).
Плавка магниевых сплавов сопряжена с рядом трудностей. Сплавы легко окисляются и поглощают много водорода. В отличие от алюминиевых сплавов на поверхности расплава образуется рыхлая пленка оксида, не предохраняющая его от окисления и загорания. Окисление замедляется в атмосфере сернистого и углекислого газов. При ведении плавки магнии и его сплавы взаимодействуют с азотом, образуя нитриды, и интенсивно поглощают водород. Оксиды и нитриды не растворяются в металле и являются причиной ухудшения механических свойств отливок. Содержание водорода в магниевых сплавах (МЛ4, МЛ5, МЛ6) достигает 34 см3 на 100 г металла.
Легирование магния церием, лантаном, неодимом, литием или иттрием усиливает окисление. Резкое снижение окисляемости достигается введением в расплав 0,002—0,005 % бериллия. При более высоком содержании бериллия в сплавах второй группы наблюдается рост зерна и снижение технологических свойств.
Для защиты от окисления при плавке применяют флюсы, состоящие из хлористых и фтористых солей щелочных и щелочноземельных металлов. Основой большей части флюсов является карналлит (MgCl2-KCl). Хлористый барий вводят во флюс в качестве утяжелителя, способствующего лучшему отделению флюса от сплава. Фтористый кальций повышает вязкость и увеличивает рафинирующую способность флюса. Оксид магния добавляют в качестве загустителя, облегчающего образование корочки при перегреве.
На отечественных заводах широко применяют флюсы ВИ2 и ВИЗ (табл. 31). Они обладают хорошими защитными и рафинирующими свойствами при плавке большинства магниевых сплавов. Флюс, состоящий из хлористого и фтористого лития, используют при выплавке магниево-литиевых сплавов. При плавке сплавов с редкоземельными металлами и иттрием используют флюсы, не содержащие хлористого магния, так как в результате обменных реакций 3MgCl2 + 2Се -> 2СеС13 + 3Mg и 3MgCl2 + + 2Y -> 2YC13 + 3Mg имеют место значительные потери редкоземельных элементов и иттрия.
В настоящее время разработана технология бесфлюсовой плавки. Защита расплавов от интенсивного окисления при этом
Состав покровных и рафинирующих флюсов для магниевых сплавов
Флюс
Массовая доля, %
Назначение
MgCI,
КС!
NaCI
CaCI 2
В аС12
CaF2
A1F,
Прочие
ВИ2
38—46
32—40
—
10
5—8
3—5
—
<1,5 MgO; <3 H2O
Покровно-рафииирующий для плавки в стационарных печах
ВИЗ
30—40
25—35
—
7
—
15—20
7—10 MgO; <3 H2O
Покровно-рафииирующий для плавки в выемных тиглях
№ 1
—
—
—
—-
—
—
—
20 LiF; 80 LiCl
Покровный для сплавов, содержащих литий
№ 2
—
—
14—21
47—51
26—29
2—5
—•
<2 H2O
Покровный для сплавов с редкоземельными металлами
№ 3
—
22—26
17—20
35—39
19—23
2—5
—
<2 H2O
То же
ВАМИ 1
—
—
—
—
—
3,5
23,5
40 BA; 38 Na3AlFe
Рафинирующий
ВАМИ 5
—
—
—
—
—
17,5
15,0
17 MgF2; 50 B2O3
*
ФЛ5
25—42
20—36
—
—
4—8
0,5—10
3—14
3—П MgF2; 1,8 B2O3
Покровно-рафииирующий
ФЛ1
—
—
—
—
—
13
40
32 MgF2; 15 BA
$
208208
208
208
к
о
£з
(Т
Е
со
я
2
О
О
я
Е
го
2
Я
2
2
2
Б
3
2
я=
ш
Я
2
3
2
Я
2
5
В
О В
3
я
2
О S я
5=
я
ю
в
Я
к в х
о л Я
2
2
.X к
я с
я я
§ Я
В> Sa
О
со £з
ГО о W
3 я я я о
я о
2
2 я
я
2
5 $ о м to
О
Б
ь я я я
СП 2 я я
5
го 2 Я го
Я го
2
2 я Е х
Е х
Е я х
я= я
13 о
Д о я
О bl го К я
Е го я я
о я=
S и о я«
ь я я
0 s я я 2 я Е тз
о
□ я
- я го 2
X Я X я х bl з£ ■2 го
я я bl Р
Я= Я я о 2
х я
-8- Я= bl
3
о\
”БЗ
я S и я го я
2
53
S о со2
S ь го к
го bl я л го я я го 2
я
я я го я Е 2
я я я я я я го
о о я с я го
я я
5
3 я
я я я й го X я 3
2 я
2
a=*Q
Я
В я 3 Е
и
5
к
го о (Z>33 g
р я й го Я Я
Е я я 3 § я я
% я я
2
3
3
го я
я
$3 С 2
Е го
2
в
2 го я а
5
2 Е Е bl го
я о я«
^я
и
Я
2
Я
о о» я го
2
я 2 я
X о я
Е я 2
S3 О
х я 2 я
X я я«
to к
ь в Е я 2 Я
ьэ
)у о
3
bl
25 о
Д' я о Я М х Е з
о
го
я о
я
д^ Я
в особенности в случае отделения мелких включений. Более эффективным способом очистки является обработка расплава флюсами. В основе этого способа лежит процесс адсорбции включений жидкими солями. Эффективность очистки определяется величиной поверхности контакта металла с флюсом и возрастает по мере ухудшения смачиваемости включений металлом в среде флюса и уменьшения межфазного натяжения на границе металл— флюс.
При плавке в стационарном тигле для рафинирования используют флюс ВИ2; при плавке в выемном тигле — более легкий флюс ВИЗ. Перед рафинированием расплав нагревают до 700 °C, удаляют покровный флюс и вводят в сплав 0,002 % бериллия или 0,5 % кальция для предохранения от загорания. Рафинирование осуществляют засыпкой на поверхность расплава порции флюса (~1 % массы расплава), расплавлением и замешиванием его в расплав на 2/3 высоты тигля в течение 5—6 мин. После этого скачивают использованный флюс и наносят свежий. Хлористый магний, входящий в состав флюса, смачивает неметаллические включения, увеличивает их размеры и способствует их осаждению или всплыванию.
Более полное удаление оксидных плен может быть достигнуто пропусканием расплава через жидкие флюсы (см. табл. 31).
Наиболее высокого уровня очистки от неметаллических включений достигают фильтрованием магниевых расплавов через зернистые фильтры из магнезита. Опыт длительного использования магнезитовых фильтров показал, что фильтрование позволяет почти полностью ликвидировать брак отливок по оксидным пленам и флюсовым включениям. Эффективность очистки возрастает по мере уменьшения размера зерен фильтра и увеличения толщины фильтрующего слоя. Технологию фильтрования и расположение фильтров при литье магниевых сплавов принимают такими же, как и при литье алюминиевых сплавов.
Качество рафинирования оценивают отношением площади излома технологической пробы FT, вк, занятой неметаллическими (темными) включениями, к общей FB8 площади излома, т. е. коэффициентом пораженности излома
Ku = FT. вк/Fиз.
Оборудование, инструмент и материалы
Печь СШОЛ для плавки сплавов, тигли стальные сварные емкостью 1 дм3, хромель-алюмелевая термопара, гальванометр, весы технические, изложница для отливки проб на излом, набор плавильно-заливочного инструмента, шихтовые материалы для приготовления магниевых сплавов, флюсы (см. табл. 31), порошок серы, сухой кварцевый песок, дробленый магнезит, спецодежда, рукавицы, защитные очки.
Порядок проведения работы
Работа рассчитана на 4 ч.
Рассчитать шихту для приготовления 1 кг одного из сплавов, приведенных в табл. 32. Марку сплава, виды и количество используемых в шихте отходов указывает преподаватель. Подготовить шихтовые материалы согласно расчету.
Взвесить флюс ВИ2 из расчета 10 % и флюс ВИЗ (или другой, указанный преподавателем) из расчета 3 % массы шихты. Применение влажного флюса не допускается. Подготовить фильтр заданной зернистости из магнезита.
Прокалить стальные тигли для плавки и фильтрования при температуре 700 °C. Дробленый магнезит нагреть до 600 °C.
В нагретый тигель насыпать половину навески флюса ВП2 и загрузить в него шихту, кроме цинка, слегка присыпав ее флюсом. Расплавить содержимое тигля и при 680 °C загрузить цинк и остаток флюса.
Нагреть расплав до 720 °C. Наблюдать за состоянием металла при нагреве и присыпать флюсом отдельные очаги воспламенения.
Нагреть изложницу до 150 °C.
При температуре расплава 720 °C носок тигля очистить от флюса, пробить корку флюса на поверхности расплава и осторожно без сотрясений наклонить тигель как можно ближе к изложнице и медленной, спокойной струей залить металл в подогретую изложницу. Во время заливки струю металла следует припыливать порошком серы.
Установить степень пораженности излома пробы неметаллическими включениями.
Оставшийся в тигле расплав нагреть до 720 °C.
В нагретый стальной тигель для рафинирования на высоту 50—60 мм засыпать нагретый до 600 °C дробленый магнезит. Установить тигель с фильтром в нагретый стальной прокаленный тигель.
Т а б л и ц а 32
Химический состав магниевых сплавов
Сплав
Массовая доля элемента, % (остальное Mg)
Марка
гост
Al
Zn
Мп
МЛ4
МЛ5
МЛ6
2856—79
5,0—7,0 7,5—9,0 9,0—12,0
2,0—3,0
0,2—0,3
0,6—1,2
0,15—0,5
0,15—0,5
0,1—0,5
МАЗ
МА5
14957—76
5,5—7,0
7,8—9,2
0,5—1,5
0,2—0,8
0,15—0,5 0,1—0,5
8*
211
Профильтровать порцию расплава. Для этого пробить корку флюса на поверхности расплава и без сотрясений наклонить тигель как можно ближе к тиглю с фильтром и отлить порцию металла, достаточную для заливки пробы на излом.
Из профильтрованного расплава отлить пробу на излом в нагретую изложницу.
Остаток непрофильтрованного расплава поместить в печь и нагреть до 720 °C. Выключить печь, снять использованный флюс и осуществить рафинирование флюсом. Состав флюса выбрать в табл. 31 по указанию преподавателя. Флюс замешать в металл в течение 5—6 мин на глубину 2/3 высоты расплава в тигле. При перемешивании периодически подсыпать свежий флюс. Рафинирование считается законченным, когда поверхность расплава приобретает зеркальный (блестящий) вид.
Нагреть расплав до 760 °C и выдержать при этой температуре в течение 8—10 мин, снять шлак, посыпать поверхность свежим флюсом и при температуре 720 °C залить пробу на излом.
Оценить эффективность рафинирования при сопоставлении изломов проб, определить &п. Рафинирование считается успешным, когда проба имеет чистый мелкий излом, без неметаллических включений (черных пятен).
На случай возгорания металла в тигле или форме необходимо иметь запас сухого молотого флюса и песка.
Результаты наблюдений и их обработка
Внести результаты определения &п в таблицу.
Построить графические зависимости кЕ от размера зерна и высоты слоя фильтра, используя данные других бригад студентов.
Условия рафинирования
Результаты рафинирования
Флюс
Количество флюса, %
Размер зерна фильтра, мм
Высота фильтра, мм
Площадь излома, см*
Площадь черных пятен, см1
^п
Без рафи-
—
—
пирования ВИЗ
3
—
—
10
50
—
—
10
100
—
—•
6
50
—
—
6
100
Содержание отчета
Общие сведения о технологии рафинирования магниевых сплавов.
Мероприятия по технике безопасности при плавке магниевых сплавов.
212
Расчет шихты на 1 кг сплава заданного состава.
Условия проведения плавки и рафинирования заданного сплава.
Методика исследования качества металла.
Графическая зависимость коэффициента пораженности излома от размера зерна и высоты слоя фильтра.
Выводы.
Контрольные вопросы
Какие группы магниевых сплавов применяют для изготовления фасон* ных отливок?
Как взаимодействуют магний и его сплавы с газами печной атмосферы?
Какие флюсы используют для защиты магниевых расплавов от окисления и горения?
Почему для плавки магниевых сплавов с редкоземельными элементами используют флюсы, не содержащие хлористого магния?
Как обеспечивается защита от окисления при бесфлюсовой плавке маг • ииевых сплавов?
В каком виде и какой последовательности осуществляют загрузку шихтовых материалов при выплавке магниевых сплавов?
Какими способами осуществляют рафинирование магниевых расплавов от неметаллических включений?
Какой из методов очистки наиболее эффективен?
Какие флюсы используют для рафинирования магниевых сплавов? В чем их отличие от покровных флюсов?
Какие материалы используют для изготовления зернистых фильтров?
Назовите лучший режим рафинирования магниевых расплавов флюсами.
Какие параметры зернистых фильтров обеспечивают лучшие условия очистки магниевых сплавов от оксидных плен?
В чем сущность очистки магниевых расплавов зернистыми фильтрами?
Какие методы контроля используют для оценки содержания неметаллических включений в магниевых сплавах?
Какие методы используют для дегазации магниевых расплавов?
При каких температурах осуществляют продувку магниевых расплавов азотом, гелием, хлором или смесью гелия С хлоридами?
Работа 39
ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ МЕЛА
И ГЕКСАХЛОРЭТАНА ПРИ МОДИФИЦИРОВАНИИ СПЛАВОВ СИСТЕМЫ МАГНИЙ — АЛЮМИНИЙ — ЦИНК
Общие сведения
Для измельчения зерна и повышения механических свойств магниевые сплавы, содержащие алюминий, подвергают модифицированию перегревом или введением углеродсодержащих веществ.
Для модифицирования перегревом расплав после рафинирования нагревают в стальном тигле до 900 °C, выдерживают при этой температуре 15—20 мин и быстро охлаждают до температуры заливки (680—720 °C). Растворение тигля при перегреве расплава и образование при охлаждении большого числа тонкодисперсных
Т а б л и ц а 33
Режимы модифицирования углеродсодержащими веществами
Модификатор
Количество, %
Размер кусков, мм
Температура,
Длительность замешивания, мин
Мел
0,5—0,6
Порошок
760—780
5-8
Мрамор
0,5—0,6
Крошка
760—780
5-8
Магнезит
0,3—0,4
10—15
720—730
8—12
Гексахлорэтан
0,3—0,5
Порошок
720—760
8—12
Примечание. Длительность отстаивания 15—40 мин.
частиц интерметаллида FeAl3, являющихся центрами кристаллизации, приводят к измельчению зерна сплава отливки. Эффективность модифицирования зависит от содержания в сплаве железа. При содержании железа менее 0,005 % вырастает крупное зерно; зерно среднего размера образуется при содержании железа от 0,006 до 0,02 %, а мелкое зерно при содержании железа более 0,02 %. Выдержка расплавов при температуре заливки сопровождается коагуляцией частиц интерметаллида FeAl3 и огрублением зерна. Процесс огрубления идет тем интенсивнее, чем больше в сплаве примесей циркония, кремния или бериллия. Резкое огрубление наблюдается при содержании 0,002 % циркония. Получить отливки с мелким зерном практически невозможно при содержании в сплаве более 0,08 % кремния или более 0,002 % бериллия. Модифицирование перегревом проходит успешно при содержании в сплаве 0,001 % железа и 0,2 % марганца.
Эффект модифицирования перегревом пропадает при длительной выдержке расплава (до 1 ч) при 680—720 °C. Повторный нагрев до 900 °C вновь измельчает структуру. Перегрев модифицированного расплава до 1000 °C или медленное охлаждение с оптимальной температуры модифицирования приводит к огрублению зерна.
Недостатками этого способа являются низкая производительность, повышенный угар сплава, большой расход тиглей и топлива.
При модифицировании углеродсодержащими веществами в расплав после рафинирования вводят просушенные мел, мрамор, магнезит, гексахлорэтан или осушенные ацетилен и углекислый газ (табл. 33).
При модифицировании мелом, магнезитом, мрамором эти вещества разлагаются с выделением углекислого газа, вступающего во взаимодействие с магнием*
MgCO3->MgO+CO2;
2Mg + СО, -> 2MgO + С.
Рис. 75. Микроструктуры сплава МЛ5 до (а) и после (6} модифицирования, X 100
Выделяющийся углерод взаимодействует с алюминием, образуя карбид алюминия AI4C3. Мелкодисперсные выделения тугоплавкого карбида являются центрами кристаллизации для твердого раствора алюминия в магнии. Типичные структуры исходного и модифицированного сплава МЛ5 приведены на рис. 75.
При модифицировании гексахлорэтаном между расплавом и модификатором проходит химическая реакция, в результате которой выделяется атомарный углерод, необходимый для образования карбида алюминия;
3Mg + С2С1в -* 3MgCl2 + 2С.
Модифицирование углеродсодержащими модификаторами по сравнению с модифицированием перегревом имеет ряд преимуществ: возможность получения мелкого зерна отливок без перегрева расплава, сокращение расхода топлива и тиглей, снижение потерь металла на угар. Поэтому этот вид модифицирования широко применяют при производстве фасонных отливок. Недостатком такого модифицирования является обогащение расплавов оксидами и водородом, что влечет за собой образование микро- рыхлот и снижение механических свойств сплавов. К числу недостатков следует также отнести кратковременность сохранения эффекта модифицирования. Сильное огрубление зерна в отливках наблюдается после выдержки модифицированных расплавов в течение 40—60 мин при 700—720 °C. Демодифицирующее действие на сплавы системы магний—алюминий—цинк, модифицированные углеродсодержащими модификаторами, оказывают сотые доли процента циркония и перегрев расплава выше 950 °C. Модифика-
Рис. 76. Изложница для отбора пробы на изломРис. 76. Изложница для отбора пробы на излом
Рис. 76. Изложница для отбора пробы на излом
Рис. 76. Изложница для отбора пробы на излом
торы вводят в расплав с помощью «колокольчика», опуская их примерно на половину глубины тигля.
Для сплавов, не содержащих алюминия, измельчение зерна отливок достигается присадками 0,5—0,7 % циркония или 0,05— 0,15 % кальция. Для введения циркония используют лигатуру магний — цирконий (12 % циркония), шлак-лигатуру или фтор- цирконат калия. Кальций вводят в чистом виде. Качество модифицирования определяется по размеру макрозерна, излому и дисперсности микроструктуры. Размер макрозерна и дисперсность структурных составляющих определяется методом секущих.
Оборудование, инструмент и материалы
Печь СШОЛ для плавки сплавов, тигли стальные сварные емкостью 1 дм8, хромель-алюмелевая термопара, гальванометр, весы технические, изложница для отбора проб на излом (рис. 76), наборы слесарного и плавильно-заливочного инструмента, шихтовые материалы для приготовления магниевых сплавов, флюсы (см. табл. 31), порошок серы, сухой кварцевый песок, дробленый магнезит, спецодежда, защитные очки.
Порядок проведения работы
Работа рассчитана на 4 ч.
Рассчитать шихту для приготовления 1 кг сплава заданного состава. Подготовить шихтовые материалы согласно расчету.
Расплавить и отрафинировать сплав одним из методов по указанию преподавателя. Последовательность ведения плавки должна соответствовать описанию, приведенному в лабораторной работе 34.
В нагретой изложнице отлить пробу на излом.
Разделить рафинированный расплав на две равные порции и поместить их в печь.
Осуществить модифицирование порций расплава разными модификаторами по режимам, приведенным в табл. 33. Выбор модификаторов согласовать с преподавателем.
216
Из каждой порции модифицированного расплава отлить пробу на излом.
Сравнить структуру изломов проб из модифицированного и немодифицированного сплавов и оценить эффективность действия модификатора.
Изготовить макрошлифы и определить размеры зерна в образцах сплавов до и после модифицирования. Для травления шлифов следует использовать 2 %-ный водный раствор винной кислоты.
Оценить эффективность исследованных модификаторов.
Результаты наблюдений и их обработка
Результаты измерений занести в таблицу.
Провести статистическую обработку результатов определения размера макрозерна проб. Найти доверительный интервал при вероятности 0,95.
Построить графические зависимости размера зерна от количества и вида модификатора.
Сплав
Условия модифицирования
Раамер зерна, мкм
Модификатор
Количество, %
Температура, °C
Длительность, мин
перемешивания
выдержки
МЛ5
Модифицирование перегревом То же Магнезит
»
Мрамор
0,4 0,3 0,6
900
900
730
730
780
5
5
8
10
20
20
20
30
Содержание отчета
Общие сведения о технологии модифицирования магниевых сплавов.
Мероприятия по технике безопасности при плавке магниевых сплавов.
Расчет шихты на 1 кг сплава.
Описание условий ведения плавки, рафинирования и модифицирования заданного сплава.
Методика исследования структуры сплава.
Графики.
Выводы.
Контрольные вопросы
Какие цели преследуют при модифицировании магниевых сплавов?
• 2. Какими способами модифицируют магниевые сплавы, содержащие алюминий?
В чем заключается модифицирование перегревом?
Какие углеродосодержащие модификаторы применяют для измельчения зерна сплавов системы магний—алюминий—цинк?
В каком виде и в каком количестве вводят углеродосодержащие вещества при модифицировании магниевых сплавов?
Назовите оптимальные режимы модифицирования перегревом н углеродосодержащими модификаторами.
Какие модификаторы используют для измельчения верна магниевых сплавов, не содержащих алюминия?
Как оценивается качество модифицирования?
Сколько времени сохраняется эффект модифицирования?
Какие требования к шихтовым материалам и инструменту предъявляет инструкция по технике безопасности?
Чем следует устранять очагн горения магниевых сплавов прн плавке и заливке?
Работа 40
РАСКИСЛЕНИЕ МЕДИ
Общие сведения
Для изготовления отливок используют оловянные и безоловянные бронзы, латуни (табл. 34). Они имеют высокие механические и антифрикционные свойства, хорошо противостоят коррозии в морской воде, паре и других средах, сохраняют высокую пластичность при низких температурах. Медные сплавы
Массовая доля элемента, % (остальное Си)Марка сплаваSnРЪА1Мн2пПрочиеМассовая доля элемента, % (остальное Си)Марка сплаваSnРЪА1Мн2пПрочиеТаблица 34Таблица 34Составы медных литейных сплавовСоставы медных литейных сплавовБронзы оловянные (ГОСТ 613—79)Бронзы оловянные (ГОСТ 613—79)БрОЮФ!БрОЮЦ2 БрО5Ц5С5 БрОЗЦ12С5БрОЮФ!БрОЮЦ2 БрО5Ц5С5 БрОЗЦ12С59,0—11,0 9,0—11,0 4,0—6,02,0—3,59,0—11,0 9,0—11,0 4,0—6,02,0—3,54,0—6,0 3,0—6,04,0—6,0 3,0—6,01,0—3,04,0—6,0 8,0—15,01,0—3,04,0—6,0 8,0—15,0Бронзы безоловянные (ГОСТ 493—79)Бронзы безоловянные (ГОСТ 493—79)БрА9Мц2Л БрАЭЖЗЛ БрА10ЖЗМц2 БрСЗОБрА9Мц2Л БрАЭЖЗЛ БрА10ЖЗМц2 БрСЗО27,0—31,027,0—31,08,0—9,5 8,0—10,5 9,0—11,08,0—9,5 8,0—10,5 9,0—11,01,5—2,51,0—3,01,5—2,51,0—3,00,4—1,1 Р0,4—1,1 Р2,0—4,0 Fe2,0—4,0 Fe2,0—4,0 Fe2,0—4,0 Fe
Массовая доля элемента, % (остальное Си)
Марка сплава
Sn
РЪ
А1
Мн
2п
Прочие
Массовая доля элемента, % (остальное Си)
Марка сплава
Sn
РЪ
А1
Мн
2п
Прочие
Таблица 34
Таблица 34
Составы медных литейных сплавов
Составы медных литейных сплавов
Бронзы оловянные (ГОСТ 613—79)
Бронзы оловянные (ГОСТ 613—79)
БрОЮФ!
БрОЮЦ2 БрО5Ц5С5 БрОЗЦ12С5
БрОЮФ!
БрОЮЦ2 БрО5Ц5С5 БрОЗЦ12С5
9,0—11,0 9,0—11,0 4,0—6,0
2,0—3,5
9,0—11,0 9,0—11,0 4,0—6,0
2,0—3,5
4,0—6,0 3,0—6,0
4,0—6,0 3,0—6,0
1,0—3,0
4,0—6,0 8,0—15,0
1,0—3,0
4,0—6,0 8,0—15,0
Бронзы безоловянные (ГОСТ 493—79)
Бронзы безоловянные (ГОСТ 493—79)
БрА9Мц2Л БрАЭЖЗЛ БрА10ЖЗМц2 БрСЗО
БрА9Мц2Л БрАЭЖЗЛ БрА10ЖЗМц2 БрСЗО
27,0—31,0
27,0—31,0
8,0—9,5 8,0—10,5 9,0—11,0
8,0—9,5 8,0—10,5 9,0—11,0
1,5—2,5
1,0—3,0
1,5—2,5
1,0—3,0
0,4—1,1 Р
0,4—1,1 Р
2,0—4,0 Fe
2,0—4,0 Fe
2,0—4,0 Fe
2,0—4,0 Fe
—
0,8—2,0
—
—
57,0—61,0
—*-
—
—
1,0—2,0
57,0—60,0
—
—
—
2,0—3,0
—
66,0—68,0
—
—
—
—
—
78,0—81,0
3,0—4,5 Si
ЛЦ40С ЛЦ40Мц1,5 ЛЦЗОАЗ ЛЦ16К4
Латуни (ГОСТ 17711—80)
Рис. 77. Оксидные плены в изломе слитка бериллиевой бронзыРис. 77. Оксидные плены в изломе слитка бериллиевой бронзынемагнитны, легко полируются и обрабатываются резанием.
Рис. 77. Оксидные плены в изломе слитка бериллиевой бронзы
Рис. 77. Оксидные плены в изломе слитка бериллиевой бронзы
Плавку медных сплавов ведут в тигельных и шахтных индукционных и отражательных печах, футерованных шамотом или кварцем. При плавке на воздухе медные сплавы окисляются и насыщаются водородом. Окисляются в первую очередь компоненты, имеющие более высокий, чем медь.
изобарный потенциал образования оксида. По этой причине легирующие элементы медных сплавов (Al, Be, Sn, Zn и др.) раскисляют медь, образуя твердые, жидкие и газообразные оксиды. Твердые оксиды медленно всплывают в расплавах и могут попасть в отливки (рис. 77).
За исключением латуней, растворению водорода в которых препятствует высокое давление пара цинка, медные сплавы интенсивно поглощают водород и при кристаллизации склонны к образованию газовой пористости. В большей мере этому подвержены сплавы с широким интервалом кристаллизации. В зависимости от состава бронз и условий их плавки содержание водорода в 100 г металла может составлять от 1,5 до 20 см3. С повышением температуры интенсивность взаимодействия с газами увеличивается. Взаимодействию с газами наиболее подвержены алюминиевые и кремниевые бронзы и латуни.
Для защиты от окисления плавку медных сплавов ведут под покровом древесного угля или флюсов на основе фторидов, стекла или соды (2—3 % массы расплава). Чтобы предупредить образование твердых нерастворимых оксидов, медь перед введением легирующих элементов раскисляют 0,1—0,15 % фосфора. После раскисления в расплав последовательно вводят легирующие компоненты (кремний, алюминий, марганец, олово, свинец, цинк и др.) в чистом виде или в виде лигатур.
Во избежание сильного окисления и насыщения водородом не рекомендуется сильно перегревать расплавы. Особенно это касается алюминиевых бронз и кремнистых латуней, так как образующиеся оксиды алюминия А12О8 и кремния SiO2 трудно удаляются из расплавов и, попадая в отливки, снижают их свойства. Перегрев алюминиевых бронз может быть обусловлен выделением теплоты смешения при введении алюминия в расплав. Во избежание этого рекомендуется вводить алюминий небольшими порциями одновременно с медью.
Для очистки расплавов от растворенного водорода и твердых неметаллических включений их подвергают продувке газами,
Химический состав меди (ГОСТ 859—78)
Таблица 35
Марка
Массовая доля компонента, %
Си
о.
Всего примесей
МО
99,97
0,001
0,03
MI
99,90
0,01
0,1
М2
99,70
0,07
0,3
М3
99,50
0,08
0,5
вакуумированию, обработке флюсами или фильтрованию. Наиболее глубокую очистку расплавов от неметаллических включений дает фильтрование через зернистые фильтры из фторидов кальция и магния. Фильтры перед использованием подогревают до 800 °C.
Медные сплавы модифицируют с целью измельчения зерна и нейтрализации вредных примесей. Для измельчения зерна в сплавы вводят тугоплавкие элементы (Ti, V, Zr, В, W, Мо) в количестве 0,15—0,2 %. Для нейтрализации вредного влияния примесей висмута, сурьмы, мышьяка и свинца в двойные латуни вводят присадки кальция (до 0,2 %), церия (до 0,3 %) или циркония (0,4 %).
Чистая медь применяется в технике в основном в виде деформированных полуфабрикатов — проволоки, труб, прутков, листов и др. Отливки из меди применяют в котлостроении, при изготовлении электроаппаратуры и сварочных машин, в химической промышленности. Изготовление фасонных отливок, ввиду низких литейных свойств меди, сопряжено с рядом трудностей.
В зависимости от требований, предъявляемых к свойствам изделий, применяют катодную медь марок МО, Ml, М2 и М3 (табл. 35).
Рис. 78. Диаграмма состояния медь—кислородРис. 78. Диаграмма состояния медь—кислородРис. 79. Микроструктура меди, содержащей 0,09 % кислородаРис. 79. Микроструктура меди, содержащей 0,09 % кислорода
Рис. 78. Диаграмма состояния медь—кислород
Рис. 78. Диаграмма состояния медь—кислород
Рис. 79. Микроструктура меди, содержащей 0,09 % кислорода
Рис. 79. Микроструктура меди, содержащей 0,09 % кислорода
Рис. 80. Кривая АлленаРис. 80. Кривая АлленаПри нагреве на воздухе медь окисляется. Образующийся оксид Си2О растворяется в жидкой меди. Жидкая медь растворяет кислород. Взаимодействие меди с кислородом описывается эвтектической диаграммой состояния (рис. 78). Растворимость кислорода в твердой меди при 100 °C составляет 0,005 %. При большем содержании кислорода по границам зерен меди выделяется эвтектика (рис. 79), существенно
Рис. 80. Кривая Аллена
Рис. 80. Кривая Аллена
снижающая пластические свойства
меди й делающая ее предрасположенной к водородной болезни — образованию трещин в изделиях, работающих в атмосфере водяного пара. Содержание кислорода в расплаве определяет выбор футеровки плавильных печей. Медь с повышенным содержанием кислорода нельзя плавить в печах с кислой футеровкой, так как последняя оплавляется в результате образования легкоплавкого силиката mCu2O + nSiO2 —»- mCu2OnSiO2. В этом случае используют футеровку из магнезита. Расплавленная медь взаимодействует с сернистым газом с образованием сульфида Cu2S и интенсивно растворяет водород. Между содержанием кислорода и водорода устанавливается динамическое равновесие, описываемое кривой Аллена (рис. 80). Взаимодействие с газами идет тем интенсивнее, чем выше температура перегрева расплава.
Для предохранения от взаимодействия с газами печной атмосферы плавку меди ведут с применением защитного покрова из древесного угля. Необходимым условием применения древесного угля является его тщательная сушка в целях удаления адсорбированной влаги. Лучшие результаты обеспечивает плавка в вакуумных печах или печах с защитной атмосферой.
При плавке на воздухе в медных расплавах всегда обнаруживают некоторое количество кислорода. Содержание кислорода определяют измерением его активности или металлографическим путем по площади, занимаемой эвтектикой Си + Си2О. Удаление кислорода из нераскисленной меди осуществляют вакуумной переплавкой, раскислением или фильтрованием расплава через слой раскаленного древесного угля.
Для получения бескислородной меди (<0,001 % О2) используют плавку в вакууме.
Раскислением называют процесс удаления кислорода из расплава путем введения в него активных элементов, образующих нерастворимые в расплаве оксиды. Раскислитель должен обладать большим по сравнению с расплавленной медью сродством к кислороду. По характеру действия раскислители делят на две группы: поверхностные нерастворимые и объемные растворимые в расплаве. При использовании поверхностных раскислителей (карбид
кальция СаС8, борид магния Mg3B2, углерод, борный шлак В2О3 х > xMgO и др.) реакция с кислородом идет только по поверхности соприкосновения раскислителя с расплавом, что обусловливает малую скорость раскисления. Для ускорения этого процесса ■раскислители замешивают в расплав. Достоинство этих раскислителей заключается в том, что они не переходят в расплав и их избыток не отражается на качестве металла. Расход поверхностных раскислителей составляет 1—3 % массы расплава.
Растворимые раскислители взаимодействуют с кислородом по всему объему расплава, поэтому необходимая полнота раскисления достигается значительно быстрее, чем при использовании поверхностных раскислителей. Существенным недостатком раскислителей этой группы является неблагоприятное воздействие их избытка- на эксплуатационные свойства меди (электрическую проводимость).
По физическому состоянию продуктов раскисления растворимые раскислители делят на три группы:
первая —■ раскислители, дающие газообразные продукты (водород, углеводороды и оксид углерода);
вторая — раскислители, образующие парообразные или жидкие продукты (фосфор и литий);
третья — раскислители, дающие твердые продукты (кальций, магний, алюминий, кремний, марганец и др.).
Поскольку газообразные и жидкие оксиды удаляются из расплава легче, чем твердые, при раскислении предпочтение отдают раскислителям первой и второй групп. Растворимые раскислители вводят в медь в количестве 0,1—0,15 % (с 10— 15 %-ным избытком по сравнению с требующимся по стехиометрической реакции раскисления).
Ход процесса раскисления контролируют по показаниям активометра, установленного в печи, либо по технологическим пробам на излом и усадку. Оптимальному раскислению соответствуют мелкокристаллический светло-розовый излом без вспучивания и концентрированной раковины.
В данной работе необходимо оценить эффективность раскисления меди двумя раскислителями, одним из которых является фосфор. Второй раскислитель выбирается по указанию преподавателя. Реакция раскисления меди фосфором упрощенно может быть записана следующим образом: 4 [Р1 + 10 [01 ->- Р4О10. Продуктом раскисления является парообразный пятиоксид фосфора с димерными молекулами Р2ОБ-Р2О6 и жидкая фосфорнокислая соль меди СиРО3. Оба этих продукта легко удаляются из расплава. Ход процесса раскисления контролируют отбором технологических проб на излом и микроструктуру.
Для качественного определения содержания кислорода в меди необходимо, чтобы образцы для шлифов имели толщину не менее 2 мм и рабочую площадь не менее 20 мм®. Подготовку шлифов ведут по общепринятой методике.
Оборудование, инструменты и материалы
Тигельная печь с силитовыми нагревателями, графитошамотный тигель, хромель-алюмелевая термопара, переносной гальванометр, технические весы, металломикроскоп, слесарные тиски, установка для полирования шлифов, набор инструмента для изготовления шлифа, набор шлифовальной бумаги, шихтовые материалы, раскислители, спецодежда и защитные очки, фотореактивы, пластины и фотобумага.
Порядок проведения работы
Работа рассчитана на 4 ч.
Навеску исходной меди (0,5—0,7 кг) расплавить под слоем древесного угля. Перегреть расплав на 100 °C выше температуры плавления и выдержать в течение 10 мин.
Отлить пробу на излом в металлической изложнице. Остаток металла разлить в два тигля, загрузить древесный уголь и поместить в печь.
Сломать образец. Определить содержание кислорода по излому, сделав соответствующую запись в рабочем журнале.
Изготовить микрошлиф, по нему определить содержание кислорода. Для этого микрошлиф просматривают при увеличении 200 и сравнивают микроструктуру с эталонами. При определении содержания кислорода необходимо строго различать включения оксида меди, имеющие голубовато-серый цвет, от темных неметаллических включений и пор, которые не должны приниматься в расчет. В случае необходимости шлифы просматривают в поляризованном свете. Включения оксида меди при этом имеют рубиново-красный цвет.
При концентрации кислорода меньше эвтектической (<0,39 %) на металлографическом шлифе определяют площадь, занимаемую эвтектикой, FB и площадь шлифа Рш. Затем рассчитывают содержание кислорода в меди, %;
[О] = 0,39FB(Fm.
Для получения надежных результатов определения следует производить в пяти—десяти полях зрения и вычислять среднее значение.
Рассчитать количество каждого раскислителя, необходимое для связывания всего кислорода, содержащегося в меди.
Пример. Исходная медь после расплавления под углем содержала 0,22 % кислорода. Принимаем, что в обоих тиглях находится по 0,2 кг Си. В каждой навеске (200 г) содержится 2 X 0,22 = 0,44 г О2. Чтобы связать это количество кислорода в Р2О6 по реакции 5 [Oj + 2 [Р]-* Р2О6, необходимо затратить 2-31-0,44 : 5-16 = 0,34 г Р.
Для обеспечения полноты раскисления фосфора вводят на 10—15 % больше, чем это требуется по стехнометрнческой реакции. С учетом этого количество фосфора составит 0,34 4* 0,1-0,34 = 0,374 г.
Фосфор вводят лигатурой медь—фосфор, содержащей 10 % фосфора. Количество лигатуры, необходимое для раскисления меди, X = 0,374-100 : 10 = = 3,74 г.
Раскислить навески меди раскислителями. Залить пробы .на излом в металлические изложницы.
Определить содержание кислорода по излому и микрошлифам. Сделать снимки микроструктур исходной и раскисленной меди.
Определить полноту раскисления меди различными раскислителями.
Результаты наблюдений и их обработка
Оценить точность определения содержания кислорода в меди металлографическим методом по площади, занимаемой эвтектикой. Рассчитать дисперсию и найти доверительный интервал при вероятности 0,90.
С использованием результатов, полученных другими бригадами студентов, построить графические зависимости остаточного содержания кислорода в меди от количества вводимых раскислителей.
Содержание отчета
Описание технологии плавки и рафинирования меди.
Описание методики определения содержания кислорода в меди по микроструктуре и излому.
Полный расчет необходимого количества раскислителей.
Описание изломов образцов.
Описание микроструктуры исходной и раскисленной меди.
Снимки микроструктур.
Расчет дисперсии и доверительного интервала содержания кислорода в меди при металлографическом определении.
Графики зависимости остаточного содержания кислорода от количества вводимых раскислителей.
Выводы.
Контрольные вопросы
С какой целью проводят раскисление меди?
В чем состоит сущность раскисления?
Какими раскислителями раскисляют медь, используемую для электротехнических целей?
Как защищают медь от взаимодействия с газами во время плавки?
Какие продукты получают при раскислении фосфором, литием, магнкем, углеродом?
Какие продукты раскисления наиболее предпочтительны?
В каком виде в расплавы вводят фосфор н литий?
При какой температуре осуществляют раскисление меди?
Какие элементы можно использовать для раскисления меди?
Какие методы используют для определения содержания кислорода в меди?
Как изменяется содержание кислорода в меди с увеличением содержания водорода?
224I
3
Работа 41
ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ РАЗЛИЧНЫХ СПОСОБОВ РАФИНИРОВАНИЯ МЕДНЫХ СПЛАВОВ ОТ НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИХ ВКЛЮЧЕНИЙ
Общие сведения
Рафинирование медных расплавов осуществляют в целях снижения содержания газов и удаления взвешенных неметаллических включений. Дегазацию медных расплавов осуществляют продувкой инертными газами (аргон, азот), обработкой хлоридами и флюсами, вакуумированием. Эти же способы, наряду с фильтрованием, применяют и для очистки расплавов от взвешенных неметаллических включений. Поскольку большая часть рафинирующих средств в той или иной мере гигроскопична, необходимым условием их применения является предварительная сушка или переплавка.
Рафинирование инертными газами ведут при температуре расплава 1150—1200 °C, расход газа 0,25—0,5 м3 на 1 т расплава, длительность продувки при давлении газа 19,6—29,4 кПа составляет 5—10 мин.
Хлористый марганец вводят в количестве 0,1—0,2 % массы расплава при 1150—1200 °C с помощью колокольчика. Для удаления пузырьков рафинирующего газа расплав перед разливкой выдерживают в течение 10—15 мин.
Вакуумирование применяют в тех случаях, когда сплав не содержит компонентов с высоким давлением пара. Применительно к медным сплавам этот процесс ведут при 1150—1300 °C и остаточном давлении 0,6—1,3 кПа. Длительность вакуумирования определяется массой расплава, подвергающегося обработке, и высотой столба жидкого металла. В большинстве случаев продолжительность вакуумирования не превышает 25 мин.
Обработку расплавов флюсами (табл. 36) применяют в основном для очистки от взвешенных неметаллических включений. Наиболее высокими рафинирующими свойствами обладают фто-
Таблица 36
Составы рафинирующих флюсов для бронз
Состав флюса, %
Рафинируемые бронзы
7 Na2B4O7, 60 Na2COs, 33 CaFs
20 CaF2, 60 NaF, 20 NasAlFe
60 NaCl, 40 Na3A!F6
10 Na2CO3, 20 CaF2, 30 NaF, 20 Na3AlFe, 20 Na2SO4
6 Na2B4O7, 70 Na2CO3, 12 Na3AlF6, 12 K2CO3
Оловянные Алюминиевые
» »
»
a"):5)
Рис. 81. Плены в изломах технологических проб сплава БрА9Мц2Л до (о) и после (б) фильтрования
ридные флюсы, в частности смесь фторидов кальция и магния. Перед рафинированием расплав нагревают до 1250 °C, снимают шлак и на зеркало металла насыпают порошок переплавленного флюса в количестве 1,5—2 % массы расплава. В течение 8— 15 мин флюс замешивают в расплав. Перед заливкой для более полного отделения капель флюса расплав выдерживают при температуре заливки в течение 10—15 мин.
Оптимальным способом очистки медных сплавов, содержащих легкоокисляющиеся элементы (алюминий, титан, цирконий, бериллий), от неметаллических включений является фильтрование. Для этой цели используют зернистые фильтры из магнезита, алунда, сплава фторидов кальция и магния. Толщину фильтра выбирают от 60 до 150 мм, размер зерна в поперечнике составляет 5—10 мм. Перед фильтрованием зернистые фильтры нагревают до 800 °C. Фильтрование позволяет снизить содержание неметаллических включений в 2—3 раза, что влечет за собой укрупнение зерна, повышение пластических и усталостных характеристик и снижение содержания газов. Содержание неметаллических включений определяют с помощью технологических проб Добат- кина — Зиновьева. Характерные изломы проб приведены на рис. 81.
Оборудование, инструменты и материалы
Плавильная печь (силитовая, высокочастотная), механическая пила для разрезки отливок, пресс для осадки технологических проб, переносной гальванометр с термопарой, металлическая изложница для получения слитков диаметром 30—40 и длиной 100 мм, графитошамотный тигель емкостью 5 кг, набор инструментов для плавки и заливки, набор инструментов и материалов для изготовления макро- и микрошлифов, шихтовые материалы, изложница для отливки структурной пробы, рафинирующие средства (азот, хлорид марганца, зерна сплава фторидов кальция и магния), растворы для травления микро- и макрошлифов, фотореактивы, фотопластины и фотобумага, комплект спецодежды, защитные очки.
Порядок проведения работы
Работа рассчитана на 4 ч.
Рассчитать шихту для получения сплава заданного состава.
При выполнении настоящей работы рекомендуется выплавлять алюминиевые бронзы или специальные латуни (ЛЦЗОАЗ, ЛЦ16К4).
Расплавить медь, нагреть ее до 1200 °C. Ввести в расплав остальные компоненты шихты, соблюдая определенную последовательность (в алюминиевые бронзы алюминий вводят в последнюю очередь).
Перегреть расплав до 1250 °C. Выдержать при этой температуре в течение 5—10 мин, снять шлак и отлить слиток диаметром 20 и длиной 80—100 мм в металлической форме и структурную пробу в графитовой.
Половину оставшегося расплава отлить в нагретый тигель. Поместить оба тигля в печи. Нагреть обе порции до температуры 1250 °C и отрафинировать их различными способами по указанию преподавателя.
Отлить слитки из рафинированных расплавов в таких же температурных условиях, в каких разливался расплав до рафинирования.
Из слитков вырезать образцы на осадку диаметром 20 и длиной 80 мм и темплеты для изготовления макрошлифов. Изготовить макротемплеты.
Нагреть образцы до 800 °C и осадить на прессе до высоты 20 мм (четырехкратная осадка).
Надрезать осаженные образцы по схеме, приведенной на рис. 65 и сломать их. Определить пораженность изломов неметаллическими включениями.
Протравить макрошлифы и структурные пробы в 10— 20 %-ном водном растворе персульфата аммония. Изучить структуру темплетов и проб. Определить средний размер зерна.
Оценить эффективность различных способов рафинирования сравнением изломов, макрошлифов и структурных проб сплава в исходном и рафинированном состояниях.
Результаты наблюдений и их обработка
Результаты определения коэффициентов пораженности изломов технологических проб оксидными пленами, среднего размера зерна структурных проб и темплетов представить в виде таблицы.
Провести статистическую обработку результатов определения среднего размера макрозерна темплета и пробы. Найти доверительный интервал при вероятности 0,95.
Сплав
Способ рафинирования
Коэффициент пораженности излома пленами
Средний размер зерна, мм
Характеристика микроструктуры
технологической пробы
темплета
Без рафинирования Обработка солями (МпС12)
Продувка азотом Фильтрование через фильтр из магнезита
Содержание отчета
Общие сведения о технологии рафинирования медных сплавов.
Расчет шихты.
Описание макроструктуры слитков и структурных проб.
Описание изломов технологических проб и их фотоснимки.
Описание микроструктуры сплавов.
Вывод об эффективности способов рафинирования.
Контрольные вопросы
Какими способами можно осуществлять дегазацию медных расплавов?
В чем сущность механизма дегазации продувкой расплава инертными или активными газами?
Сколько рафинирующего газа расходуется иа 1 т медного расплава?
В каких случаях можно осуществлять дегазацию медных сплавов вакуумированием?
При каких остаточных давлениях осуществляют дегазацию вакуумированием?
В чем сущность механизма дегазации вакуумированием?
Какой из способов дегазации наиболее эффективен?
Какими способами рафинируют медные расплавы от неметаллических включений?
Назовите наиболее эффективный способ очистки медных расплавов от неметаллических включений.
Работа 42
ВЛИЯНИЕ ИНТЕРВАЛА КРИСТАЛЛИЗАЦИИ
И СКОРОСТИ ОХЛАЖДЕНИЯ НА УСАДОЧНУЮ ПОРИСТОСТЬ ОТЛИВОК ИЗ МЕДНЫХ СПЛАВОВ
Общие сведения
Согласно общим представлениям образование усадочной пористости в отливках связано с образованием области твердожидкого состояния при затвердевании. Затвердевание сплавов типа твердых растворов начинается от стенок формы в глубь отливки, т. е. продвижением границы начала кристаллизации.
соответствующей изотерме ликвидуса. Вслед за этой границей движется граница конца затвердевания, соответствующая изотерме солидуса. Расстояние между границами начала и конца затвердевания зависит от температурного интервала затвердевания и скорости охлаждения. Чем шире температурный интервал затвердевания сплава и меньше скорость охлаждения, тем шире область твердожидкого состояния в отливке и тем больше зона рассеянной пористости.
По величине интервала кристаллизации медные сплавы условно делят на три группы. Первую группу составляют сплавы с узким (5—30 °C) интервалом кристаллизации — латуни с содержанием цинка около 40 %, высокопрочные латуни, алюминиевые бронзы. Эти сплавы при недостаточном питании отливки образуют глубокие сосредоточенные усадочные раковины. Во вторую группу входят оловянные и кремнистые бронзы с широким интервалом кристаллизации 70—200 °C. Отливки из этих сплавов склонны к рассеянной усадочной пористости. К третьей группе относят сплавы со средним интервалом кристаллизации (30—70 °C) — латуни с содержанием цинка от 20 до 30 %, кремнистые латуни, мельхиоры, никелевые бронзы.
Оборудование, инструмент и материалы
Тигельная печь (индукционная или сопротивления с автоматическим регулированием температуры) для плавки сплавов, гальванометр и термопары, металлографический микроскоп, графитошамотный тигель вместимостью 3—5 кг, графитовая изложница для отбора проб, набор инструмента для плавки и заливки металла, графитовый стержень для перемешивания расплава, электролитическая медь марок МО; Ml; М2; М3 (см. табл. 35), олово, цинк, кремний, никель, железо, марганец, алюминий, лигатуры (медь — фосфор, медь — литий), защитные покровы (древесный уголь, порошок графита, флюсы из 50 % Na2CO8 и 50 % CaFg или из 25 % Na3AlF6, 10 % NaCl, 35 % КС1 и 30 % NagB4O7). Модельная оснастка, аналитические и технические весы, формовочный инструмент, набор инструмента и материалов для изготовления микрошлифов, установка для полирования шлифов, спецодежда и защитные очки.
Порядок проведения работы
Работа рассчитана на 4 ч.
Рассчитать шихту для приготовления по 0,5 кг медных сплавов с узким и широким интервалами кристаллизации (см. табл. 34). Марки сплавов, виды и количество используемых в шихте отходов указывает преподаватель.
В нагретый тигель, установленный в плавильной печи, загрузить рассчитанное количество меди, засыпать ее древесным
углем и расплавить.
Подготовить литейные формы для отливки образцов 0 60 мм на исследование усадочной пористости.
После нагрева меди до 1160—1200 °C ввести раскислитель (фосфор) в количестве 0,01—0,05 %, затем последовательно ввести в тигель предварительно подогретые легирующие элементы или лигатуры. Произвести рафинирование расплава хлористым марганцем в количестве 0,15 % .
Перемешать расплав нагретым графитовым стержнем, снять шлак и залить сплав в предварительно подготовленную песчаную форму и подогретую до 50 °C металлическую изложницу. Полученные образцы промаркировать.
Провести плавку и разливку второго сплава согласно пп. 2—5.
Определить объем усадочных раковин в отливках, заполняя их водой из бюретки.
Разрезать полученные образцы по вертикальной плоскости, зачистить поверхность реза, протравить ее в азотной кислоте.
Очертить на шлифах участки, пораженные усадочной пористостью. Определить их объем.
Отметить на каждом шлифе на расстоянии 10, 30 и 50 мм от дна отливки по три участка площадью 3 см2, начиная от оси слитка. С помощью бинокулярной лупы подсчитать на каждом участке число пор.
Результаты наблюдений и их обработка
Результаты определения объемов усадочных раковин и пористых зон, а также результаты подсчета числа пор внести в таблицу.
Сплав
Литейная форма
Объем, см"
Число пор на участке, расположенном от дна отливин иа расстоянии, мм
усадочной раковины
пористой части отливки
10
30
Б0
Песчаная Металлическая
Песчаная Металлическая
Содержание отчета
Общие сведения о технологии плавки медных сплавов.
Расчет шихты заданного состава сплава.
Описание условий проведения плавок.
Методики подготовки образцов и исследования качества металла (пористости).
Результаты подсчета пористости и эскизы образцов с расположением пористости.
Эскизы разрезанных отливок с указанием расположения усадочной раковины и зоны видимой пористости.
Выводы.
Контрольные вопросы
На какие группы по химическому составу подразделяют медные сплавы?
Какими характерными эксплуатационными свойствами обладают медные сплавы?
Какие бронзы используют как заменители оловянных бронз?
Какие футеровки используют для плавки медных сплавов?
В каком виде фосфор вводят в расплав?
В какой последовательности в медный расплав вводят легирующие элементы?
Какие медные сплавы имеют узкий интервал кристаллизации, а какие широкий?
Работа 43
СРАВНЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ТИТАНА И БОРА ПРИ МОДИФИЦИРОВАНИИ АЛЮМИНИЕВЫХ БРОНЗ
Общие сведения
Особенностью алюминиевых бронз является их склонность к образованию столбчатой структуры. При определенных условиях литья и охлаждения столбчатые кристаллы могут пронизывать всю толщу слитка или отливки. Столбчатая структура слитков во многих случаях служит причиной их разрушения при последующей обработке давлением. Фасонные отливки с такой структурой имеют плохие механические свойства.
Улучшения механических свойств алюминиевых бронз достигают измельчением первичного зерна отливки и изменением размеров первично кристаллизующихся фаз. Для этого в расплав вводят добавки (0,02—0,1 %) тугоплавких элементов (титан, бор, ванадий, вольфрам, цирконий), образующих с компонентами сплава тугоплавкие интерметаллиды, являющиеся дополнительными центрами кристаллизации при формировании первичной структуры отливок. Следует заметить, что модифицирующее действие присадок тугоплавких элементов во многом определяется присутствием в сплаве железа. В сплавах, не содержащих железа, модифицирующее действие титана, бора и вольфрама проявляется слабо; в алюминиевых бронзах, содержащих железо и марганец (БрАЭЖЗ, БрА10ЖЗМц2), резкое измельчение зерна наблюдается при введении сотых долей процента указанных элементов. При этом полностью устраняется зона столбчатых кристаллов в отливках (рис. 82). Совместное введение модификаторов в алю-
>>Рис. 82. Макроструктура отливки из БрАЮЖЗМцЦб до (а) и после (б) модифицированияРис. 82. Макроструктура отливки из БрАЮЖЗМцЦб до (а) и после (б) модифицирования
>
>
Рис. 82. Макроструктура отливки из БрАЮЖЗМцЦб до (а) и после (б) модифицирования
Рис. 82. Макроструктура отливки из БрАЮЖЗМцЦб до (а) и после (б) модифицирования
миниевые бронзы способствует более сильному измельчению зерна отливок.
Введение тугоплавких модификаторов изменяет и микроструктуру сплавов. В некоторых случаях эти изменения особенно отчетливо выявляются после термической обработки.
Оборудование, инструмент и материалы
Тигельная печь (индукционная или сопротивления с автоматическим регулированием температуры) для плавки меди, гальванометр и термопары, металлографический микроскоп, графитошамотный тигель вместимостью 1—3 кг, графитовая изложница для отбора проб; набор инструмента для плавки и заливки металла, графитовый стержень для перемешивания расплава, электролитическая медь марок МО, Ml, М2, М3, алюминий, лигатуры (медь — фосфор, медь — бор, медь — титан), защитные покровы (древесный уголь, порошок графита), набор инструментов и материалов для изготовления микрошлифов, установка для полирования шлифов, спецодежда и защитные очки.
Порядок проведения работы
Работа рассчитана на 4 ч.
Рассчитать шихту для приготовления 0,5 кг одного из сплавов, приведенных в табл. 34. Марка сплава, виды и количество используемых в шихте отходов указывает преподаватель.
В графитошамотный тигель, установленный в плавильной печи, загрузить рассчитанное количество меди, засыпать прокаленным древесным углем и расплавить. При загрузке шихты, 232
плавке, введении раскислителей, наведении защитного покрова и флюсов, разливке металла необходимо пользоваться защитными очками и рукавицами.
При температуре 1160 °C ввести в расплав 0,05 % фосфора, используя для этого лигатуру медь — 10 % фосфора, а затем загрузить предварительно подогретое железо, марганец, алюминий (алюминий можно вводить одновременно с железом). Раскисление и введение легирующих компонентов проводить при выключенной электропечи.
Подготовить литейную форму для отливки образцов 0 50 мм на исследование макроструктуры и микроструктуры. Осуществить рафинирование расплава хлористым марганцем в количестве 0,15 %.
Отлить образцы из немодифицированного сплава при темпер атуре 1180— 1200 °C.
Половину оставшегося расплава перелить в подогретый до температуры 1000 °C графитошамотный тигель и установить оба тигля в плавильную печь.
Осуществить модифицирование сплава титаном и бором. Количество модификатора указывает преподаватель.
Из модифицированных сплавов отлить образцы. Полученные образцы промаркировать.
Из немодифицированного и модифицированного сплавов изготовить макро- и микрошлифы. Травление макрошлифов проводить 85 %-ным раствором азотной кислоты, а микрошлифоз — раствором, содержащим 3 % FeCl3 и 10 % НС1.
Исследовать структуру образцов. Размер макрозерна определять на шлифах методом случайных секущих визуально. Число секущих должно быть не менее 5, длина линии 20—40 мм. Степень модифицирования микрозерна оценивают аналогично под микроскопом при увеличении 200. Сделать рисунки микроструктур.
Результаты наблюдений и их обработка
Результаты измерения размеров микро- и макрозерен исследованных образцов занести в таблицу.
Провести статистическую обработку результатов определения среднего размера зерна. Найти доверительный интервал при вероятности 0,95.
Сплав
Состояние сплава
Модификатор
Средний размер, мкм
Вид
Количество, %
макро- верна
микрозерна
Немоднфицированиый Модифицированный
»
Содержание отчета
Общие сведения о технологии плавки алюминиевых бронз.
Расчет шихты заданного состава сплава.
Описание технологии плавки и модифицирования сплава.
Методика подготовки образцов и исследования величины зерна.
Результаты модифицирования.
Выводы.
Контрольные вопросы
В чем заключаются особенности плавки алюминиевых бронз?
В каких печах лучше вести плавку алюминиевых бронз?
С какой целью проводят раскисление меди перед введением легирующих компонентов?
В каком виде в алюминиевые бронзы вводят железо н марганец?
Какие покровно-рафинирующие флюсы применяют прн плавке алюминиевых бронз из вторичных сплавов н отходов?
В каком количестве вводят в расплав покровно-рафнннрующне флюсы?
При каких температурах проводят заливку алюминиевых бронз?
К образованию какой структуры склонны алюминиевые бронзы н почему?
Какие цели преследуют при модифицировании?
Какие металлы используют для модифицирования алюминиевых бронз?
В чем состоит механизм модифицирования алюминиевых бронз?
Почему в присутствии железа и марганца в большей степени проявляется эффект модифицирования при введении титана и бора?
В каком виде вводят в расплав титан, бор, ванадий?
Как оценивается эффект модифицирования?
ГЛАВА 9. ПРОИЗВОДСТВО СЛИТКОВ
Слитком называют отливку простейшей формы (цилиндр, труба, параллелепипед), предназначенную для обработки давлением — прокаткой, прессованием, ковкой. В некоторых случаях из небольших слитков механической обработкой изготовляют гайки, втулки, шайбы. Слиток должен обладать определенным химическим составом и иметь высокую плотность. В нем не должно быть газовой или усадочной пористости, усадочной рыхлоты и раковин. Поверхность слитков должна быть чистой без неслитин, засоров, раковин. Очень вредны в слитках включения шлака, флюсов, оксидов. Они нарушают сплошность металла и существенно затрудняют механическую обработку и пластическую деформацию слитков.
Кристаллическая структура слитков должна быть беспористой и иметь тонкое и равномерное распределение вторых фаз. Такое строение благоприятно для пластического деформирования металла. Во избежание неоднородности свойств деформированного полуфабриката слитки не должны иметь очень крупное макрозерно.
В настоящее время слитки получают в основном двумя способами: литьем в изложницы (наполнительное литье) и непрерывным литьем. Значительно реже используют метод погружения (метод А. С. Лаврова). Основное отличие наполнительного литья от непрерывного состоит в положении фронта кристаллизации слитка относительно поверхности охлаждения. При литье в изложницы фронт кристаллизации непрерывно перемещается по сечению и длине слитка, в то время как сам слиток остается неподвижным. При непрерывном литье, наоборот, слиток перемещается с постоянной скоростью, а фронт кристаллизации остается неподвижным относительно кристаллизатора.
При литье по методу погружения создают такие условия охлаждения, при .которых фронт кристаллизации перемещался бы снизу вверх и обеспечивалось непрерывное питание кристаллизующегося объема слитка.
Наряду с требованиями к структуре и свойствам, существенное значение имеет экономичность способа литья, определяемая процентом выхода годного от залитого металла. Из всех способов (в водоохлаждаемые и неводоохлаждаемые изложницы, непрерывное литье, вакуумное всасывание, метод погружения) наиболее экономичным является непрерывное литье.
Работа 44
ПОЛУЧЕНИЕ СЛИТКОВ ЛИТЬЕМ В ИЗЛОЖНИЦЫ
Общие сведения
Для 'получения слитков этим способом применяют водоохлаждаемые и неводоохлаждаемые изложницы. Водоохлаждаемые изложницы используют при получении крупных слитков, а неводоохлаждаемые для изготовления слитков небольших размеров (диаметр до 200, толщина до 50, длина до 500 мм).
Слитки круглого сечения получают заполнением вертикальных разъемных и неразъемных изложниц, для получения плоских слитков применяют как вертикальные, так и горизонтальные изложницы. Неводоохлаждаемые изложницы изготовляют из чугуна, реже из стали, в лабораторных условиях применяют медные, графитовые и бронзовые изложницы.
Изложницы ’заполняют металлом сверху, реже используют сифонную заливку. Для регулирования ркорости заполнения изложницы при заливке сверху применяют литниковые воронки, представляющие собой чугунный кожух, футерованный огнеупорным материалом, часто для этой цели используют графитошамотные тигли. В дне воронок устраивают необходимое число отверстий, в которые перед заливкой устанавливают графитовые или шамотные втулки с отверстием определенного диаметра. Воронки располагают на изложнице или над нею. Применение воронок
позволяет предотвратить попадание струи металла на вертикальные стенки изложницы и уменьшить число поверхностных дефектов слитков, обусловленных смывом смазки или краски.
Рабочая поверхность изложниц не является идеально ровной и гладкой. Как правило, она имеет множество микроскопических выступов и углублений. При заполнении изложниц металлом во всех этих углублениях остается воздух. Нагреваясь от залитого металла, воздух увеличивается в объеме, повышается его давление в замкнутых объемах. Как только это давление превысит металлостатическое плюс атмосферное, возникает опасность образования газовой пористости или поверхностных дефектов. Для предотвращения образования таких дефектов и приваривания слитков к изложнице рабочую поверхность изложниц перед заливкой смазывают (при литье слитков из меди, латуней, бронз, никелевых сплавов, сталей) жирной смазкой или окрашивают красками, основой которых является мел или оксид цинка (для алюминиевых, цинковых и магниевых сплавов).
Затвердевание металла в изложницах идет за счет отвода теплоты преимущественно через боковые стенки, поэтому всегда есть опасность образования усадочных раковин, рыхлот и пор в центральной части слитка. Образование усадочных дефектов тесно связано со скоростью заливки и скоростью затвердевания металла. Известно, что малая скорость заливки и низкая температура металла приводят к образованию неслитин на поверхности слитка. Повышение температуры металла при постоянной скорости затвердевания вызывает увеличение объема усадочной раковины. Малая скорость затвердевания и низкая температура металла при заливке могут быть причинами появления рассеянной усадочной пористости. Качественный слиток без усадочной рыхлоты с малым объемом усадочной раковины может быть получен при строго направленном одностороннем охлаждении.
Оборудование, инструмент и материалы
Печь для плавки сплавов, весы технические с разновесами, станок для разрезки слитков, металлические изложницы для получения круглых слитков, потенциометр для измерения термо- ЭДС, прибор для измерения твердости, хромель-алюмелевая термопара, графитошамотные тигли емкостью 1,5—2 дм3, воронки с отверстиями различного диаметра, шихтовые материалы, материалы для изготовления макрошлифов, травители, спецодежда.
Порядок проведения работы
Работа рассчитана на 4 ч.
Приготовить 5 кг алюминиевого сплава. Состав сплава задает преподаватель. Перегреть расплав до 750 °C. Если сплав насыщен газами, дегазировать его 0,15—0,2 % хлорида марганца.
В подогретых до 60 °C металлических изложницах отлить пять-шесть слитков из сплава, нагретого до 650, 700 и 750 °C. Заливать металл через воронки с отверстиями диаметром 5 и 10 мм, подогретые до 500 °C. Уровень металла в воронке во всех опытах поддерживать постоянным.
Определить время заливки каждого слитка с помощью секундомера.
Извлечь слитки из изложниц и охладить их до нормальной температуры.
Замерить глубину усадочных раковин в полученных слитках и описать качество их поверхности (по наличию неслитин, газовых раковин, плен и усадочных дефектов).
Разрезать слитки по диаметру.
Изготовить макрошлифы по плоскости реза, протравить их реактивом Келлера, определить
Рис. 83. Схема расположения отпечатков при измерении твердостиРис. 83. Схема расположения отпечатков при измерении твердостиглубину распространенияглубину распространенияусадочной пористости и наличие других дефектов. Зарисовать структуру слитков. Измерить размер зерна.
Рис. 83. Схема расположения отпечатков при измерении твердости
Рис. 83. Схема расположения отпечатков при измерении твердости
глубину распространения
глубину распространения
Измерить твердость слитка в местах продольного макрошлифа, указанных на рис. 83.
Результаты наблюдений и их обработкаРезультаты наблюдений и их обработкаВнести полученные данные в рабочий журнал.
Результаты наблюдений и их обработка
Результаты наблюдений и их обработка
Провести статистическую обработку результатов опытов. Определить относительную погрешность измерений. Найти доверительный интервал при вероятности 0,95.
Определить влияние скорости заливки на глубину усадочной раковины, структуру и плотность слитков. Построить графические зависимости размера зерна, глубины усадочной раковины, ширины и глубины пористой зоны слитка от температуры заливки и диаметра отверстия воронки.
Содержание отчета
Описание методики плавки сплава и заливки слитков.
Результаты определения качества поверхности слитков, измерения глубины усадочных раковин.
Фотографии (рисунки) макроструктуры слитков.
Графики.
Выводы.
Контрольные вопросы
В каких случаях для производства слитхов используют неводоохлаждаемые изложницы?
Как регулируют скорость заливки?
Какие красхи и смазки используют при литье слитков из медных, никелевых и алюминиевых сплавов и каково их назначение?
Как влияет температура расплава иа глубину усадочной раковины прн получении слитков в изложницах?
Работа 45
ПОЛУЧЕНИЕ СЛИТКОВ НЕПРЕРЫВНЫМ ЛИТЬЕМ
Общие сведения
При непрерывном литье жидкий металл непрерывно поступает в кристаллизатор, придающий слитку надлежащее поперечное сечение, а затвердевшая часть слитка непрерывно вытягивается из него. В зависимости от особенностей сплава и размеров слитка кристаллизатор имеет различное конструктивное оформление. В производственных условиях используют кристаллизаторы двух конструкций. В одной из них вода не только омывает гильзу кристаллизатора, формирующую слиток, но и через специальные отверстия или щель на нижней кромке подается на выходящий из него слиток. Эта конструкция используется наиболее часто. Однако такие кристаллизаторы нельзя применять при литье слитков из сплавов, склонных к образованию горячих трещин, так как в слитках образуются трещины из-за интенсивного охлаждения. В таких случаях используют кристаллизаторы, конструкция которых не предусматривает подачу воды на слиток, охлаждение и кристаллизация расплава осуществляются лишь за счет отвода теплоты через гильзу, охлаждаемую водой.
Непрерывное литье слитков осуществляют на специальных машинах, имеющих различные механизмы вытягивания слитков из кристаллизатора (роликовый, винтовой, тросовый, цепной, гидравлический).
Основным технологическим параметром непрерывного литья является скорость вытягивания слитка из кристаллизатора, или, иначе, скорость литья. Она должна быть такой, чтобы при наибольшей производительности машины получаемые слитки имели хорошую поверхность и не имели усадочной пористости в центральной зоне, а также трещин. Ее обычно определяют по эмпирическим формулам. Например, оптимальную скорость литья п круглых слитков сплава Д16 в низкий кристаллизатор (H/D = 0,25-^0,4, где Н — высота кристаллизатора, м; D — диаметр слитка, м) находят из эмпирического соотношения
и = LG/D",
где п — показатель степени. Для слитков диаметром 100—400 мм n = 1; для слитков большего диаметра и > 1.
Усадочная пористость в слитках, полученных непрерывным литьем, появляется при чрезмерно большой скорости литья, когда центральная часть слитка не успевает затвердеть и остается жидкой на большой глубине, образуя глубокую лунку. При этом значительно расширяется двухфазная зона, что неизбежно приводит к образованию усадочной пористости.
Скорость литья существенно влияет на структуру слитков, поскольку предопределяет скорость кристаллизации в любой его точке:
ик = и cos а,где ек — скорость кристаллизации, см/с; а — угол между осьюслитка и нормалью к поверхности кристаллизации в этой точке.
Для таких слитков характерны значительные внутренние термические напряжения, которые появляются вследствие различия температур слоев слитка в период затвердевания и охлаждения. Трещины могут быть холодными и горячими.
В круглых слитках наблюдаются внутренние и поверхностные радиальные трещины. Внутренние радиальные трещины появляются при излишне большой скорости вытягивания слитка, когда разность температур внутренних и наружных слоев становится очень большой. Внутренние слои в ходе затвердевания и охлаждения стремятся сократить свои размеры, но этому препятствуют наружные, более холодные и потому более прочные слои, и внутренние слои оказываются под действием растягивающих напряжений. Во избежание появления внутренних трещин уменьшают скорость вытягивания и интенсивность охлаждения слитков (применяют высокие кристаллизаторы, для непосредственного охлаждения слитка вместо воды используют воздух).
Поверхностные радиальные трещины возникают при слишком низкой скорости литья, когда лунка в кристаллизаторе рас-
7Z7/Z^^/Z/7/7/7/7//7/Z^7Z7/Z^^/Z/7/7/7/7//7/Z^Рис. 84. Схема лабораторной установки для непрерывного литья слитковРис. 84. Схема лабораторной установки для непрерывного литья слитков
7Z7/Z^^/Z/7/7/7/7//7/Z^
7Z7/Z^^/Z/7/7/7/7//7/Z^
Рис. 84. Схема лабораторной установки для непрерывного литья слитков
Рис. 84. Схема лабораторной установки для непрерывного литья слитков
полагается выше уровня поступления воды непосредственно на слиток. Температура наружных слоев, попавших в зону непосредственного охлаждения водой, резко понижается, слои начинают сокращаться, но этому препятствует уже затвердевшая сердце- вина слитка. В результате наружные слои оказываются растянутыми и в них могут появиться трещины. Направленное затвердевание металла и интенсивный отвод теплоты при непрерывном литье способствуют получению более плотных слитков и снижают вероятность образования в них усадочных раковин и пор.
Оборудование, инструменти материалы
Для отливки слитков используют установку, схема которой показана на рис. 84. Она представляет собой сварной металлический корпус 8, внутри которого смонтирован механизм вытяги
вания слитка из кристаллизатора 1. Механизм вытягивания состоит из электропривода 10, приводящего во вращение винт 9, по которому вверх и вниз перемещается стол машины с затравкой 6. Для предотвращения перекосов стола машина снабжена двумя направляющими стойками 7. На верхней плите машины неподвижно укреплен водяной коллектор 2, из которого вода подается на кристаллизатор. Перед началом литья включением пускателя 3 стол машины поднимают вверх так, чтобы затравка 6 вошла в кристаллизатор. Для предотвращения выброса воды, охлаждающей слиток 4, загрузочное окно закрывают резиновой шторой 5.
Для выполнения работы также необходимы печь для плавки металла, технические весы, переносной гальванометр с термопарой, твердомер, станок для разрезки слитков, набор плавильноразливочного инструмента и материалов для изготовления макрошлифов, сплав Д16 или АКб, спецодежда.
Порядок проведения работы
Работа рассчитана на 4 ч.
Ознакомиться с устройством и работой установки для литья слитков. Определить скорость движения стола машины. 240
Подготовить установку к литью: а) смазать кристаллизатор вакуумным маслом; б) ввести затравку в кристаллизатор на 7» егр высоты; в) в зазор между кристаллизатором и затравкой заложить асбестовый шнур; г) направить желоб в кристаллизатор; д) установить пускатель на необходимую скорость литья.
Отобрать порцию жидкого сплава из миксера в тигель.
Измерить температуру металла в тигле и начать заливку через желоб в кристаллизатор при неподвижной затравке. Температура сплава перед заливкой должна быть 710—730 °C. Заливку металла в кристаллизатор производить только в присутствии лаборанта.
По достижении уровня металла в кристаллизаторе на 5— 10 мм ниже верхнего предела включить установку на опускание стола машины. Во время литья уровень металла в кристаллизаторе следует поддерживать постоянным. После окончания литья дать слитку выйти из кристаллизатора и выключить установку.
Выключить воду и снять слиток с затравки.
Подготовить машину к заливке еще двух слитков при тех же условиях литья.
Подготовить машину к заливке трех слитков при других скоростях литья, отличающихся между собой на 50—80 %, остальные параметры остаются прежними.
Отлить новые слитки.
Оценить качество слитков: а) по чистоте поверхности (неслитины, поры, плены, неспаи, ликвационные наплывы и др.); б) по глубине усадочной раковины; в) по макроструктуре и плотности. Для этого от каждого слитка отрезать литниковую часть длиной 100—120 мм для изготовления продольного (по диаметру слитка) макрошлифа и поперечный темплет толщиной 30 мм, обе стороны которого обработать под макрошлиф.
Протравить макрошлифы реактивом Келлера.
Определить размер макрозерна и угол наклона столбчатых зерен к оси слитка. Измерить твердость в поперечных и продольных темплетах в местах, указанных на рис. 83.
Результаты наблюдений и их обработка
Результаты измерений внести в таблицу.
К м Н
Условия литья
Размер макро- зериа
Глубина усадочной раковины
Твердость шлифа, МПа
= 2
ч о.
X
Ж
Скорость заливки, СМя/с
Температура металла, °C
Количество охлаждающей воды, см®/с
мм
о о Е Я
Ч О 5£ С-О
Е Я
8 Е а
1
2
3
•1
•
730
720
710
720
9 П/р А. В. Курдюмова241
Провести статистическую обработку результатов определения размера макрозерна, твердости и глубины усадочной раковины слитков. Оценить относительную погрешность определений, найти доверительный интервал при вероятности 0,95.
Построить графические зависимости структуры, плотности и твердости слитков от скорости литья.
Содержание отчета
Схема и описание установки непрерывного литья.
Технология литья слитков.
Таблица с данными по условиям литья и результаты исследования структуры, твердости и качества поверхности слитков.
Фотографии (рисунки) макроструктуры слитков.
Графики.
Выводы.
Контрольные вопросы
В чем принципиальное отличие непрерывного литья слитков от литья слитков в изложницы?
Перечислите основные узлы установки непрерывного литья.
Чем отличаются кристаллизаторы от нодоохлаждаемых изложниц?
Какие типы кристаллизаторон используют при непрерывном литье слитков?
Какая зависимость существует между скоростью непрерывного лвтья и скоростью кристаллизации?
Опишите механизм образования внутренних и наружных радиальных трещин в слитках, полученных непрерывным литьем.
Как влияет скорость непрерывного литья на глубину лунии слитков?
Работа 46
ПОЛУЧЕНИЕ СЛИТКОВ МЕТОДОМ ПОГРУЖЕНИЯ изложницы В ВОДУ
Общие сведения
Основной причиной возникновения глубоких усадочных раковин и осевой усадочной рыхлоты в слитках при литье в изложницы является отсутствие направленной кристаллизации. Зона, в которрй заканчивается кристаллизация, является стыком кристаллов, росших с боковых поверхностей охлаждения и снизу. В этой зоне и появляется в основном усадочная рыхлота, обусловленная переходом сплавов из жидкого состояния в твердое.
Непрерывное литье, обеспечивающее направленное затвердевание, позволяет получать более плотные слитки. Однако в крупных слитках, охлаждающихся с малыми скоростями, центральные зоны также оказываются пораженными усадочной рыхлотой. Более того, в результате неравномерности охлаждения наружных и внутренних частей слитков в них возникают значительные термические напряжения, которые часто являются причиной образования внутренних и наружных трещин. Внутренние тер- 242
мические напряжения растут по мере увеличения площади сечения слитка.
Крупные слитки из алюминиевых сплавов можно получать более качественными, если использовать метод погружения, разработанный известным металлургом А. С. Лавровым. Сущность метода состоит в том, что жидкий металл заливают в тонкостенную коническую металлическую изложницу и помещают в печь, в которой поддерживается температура на 50—100 °C выше температуры ликвидуса сплава. Изложницу устанавливают на поддон. После непродолжительной выдержки, необходимой для выравнивания температуры по всему объему металла до заданной, поддон с изложницей начинают медленно опускать
Рис. 85. Схема лабораторной установки для литья слитков методом погруженияРис. 85. Схема лабораторной установки для литья слитков методом погруженияв бак с проточной водой. При этом металл в изложнице имеет возможность затвердевать только снизу вверх, почти без перепада температуры в горизонтальном сечении слитка. В слитке при таком направленном затвердевании образуется неглубокая плоская усадочная раковина, а термические напряжения и трещины
Рис. 85. Схема лабораторной установки для литья слитков методом погружения
Рис. 85. Схема лабораторной установки для литья слитков методом погружения
не возникают.
Основными недостатками метода погружения являются низкая производительность процесса, большие отходы при удалении конусности слитка, необходимой для извлечения его из изложницы, и большой расход изложниц.
Оборудование, инструмент и материалы
Методом погружения слитки отливают на установке, схема которой приведена на рис. 85. Установка снабжена печью 4, установленной на баке с проточной водой 6. С помощью привода 1, редуктора 2, роликов, укрепленных на стойке 3, изложница 5 с металлом может с заданной скоростью опускаться из печи в бак с водой. Скорость опускания регулируют сменой барабанов 7 для намотки троса.
Для выполнения работы, кроме установки, необходимы плавильная печь, гальванометр с хромель-алюмелевой термопарой, твердомер, станок для разрезки слитков, технические весы, стальные сварные тигли, набор плавильного инструмента, набор инструментов для изготовления макрошлифов, краска для инструмента и изложниц, шихтовые материалы, спецодежда.
9*9*243
9*
9*
Порядок проведения работы
Работа рассчитана на 4 ч.
Ознакомиться с устройством установки и инструкцией по ее безопасной эксплуатации. Определить скорости опускания изложницы при различных диаметрах барабанов для намотки троса.
Подготовить установку к литью: окрасить изложницу меловой краской, разогреть печь до необходимой температуры, нагреть изложницу до 720 °C, включить воду, установить передачу на необходимую скорость опускания изложницы.
Навесить порцию (1—1,5 кг) готового сплава и расплавить ее. Если необходимо, расплав отрафинировать с целью снижения содержания водорода и неметаллических включений.
Наполнить горячую изложницу жидким сплавом и поместить ее на тросе в печь.
Выдержать изложницу с металлом в печи до достижения расплавом температуры 700—710 °C. Температуру металла измерить переносной термопарой.
Включить установку на опускание изложницы. Опускание производить до тех пор, пока уровни воды в баке и металла в изложнице не сравняются.
Поднять изложницу выше нагревательной печи и снять ее с троса.
Извлечь слиток из изложницы.
В аналогичных условиях из того же сплава отлить еще два слитка.
Отлить три слитка из того же сплава при другой скорости опускания изложницы.
И. Оценить качество полученных слитков по состоянию поверхности (наличие неслитин, пор, плен), глубине усадочной раковины и макроструктуре.
От каждого слитка по указанию преподавателя отрезать заготовки для поперечного и продольного макрошлифов, изготовить макрошлифы и провести их травление в реактиве Келлера (для алюминиевых сплавов).
Определить размеры макрозерен и угол наклона столбчатых кристаллов к оси слитка.
Измерить твердость поперечных и продольных шлифов слитков в местах, указанных на рис. 83.
Результаты наблюдений и их обработка
Результаты наблюдений внести в таблицу.
Провести статистическую обработку результатов определения размера зерна и твердости проб. Оценить относительные погрешности определений. Найти доверительный интервал при вероятности 0,95.
Определить влияние скорости опускания изложницы на структуру и плотность слитков, построить соответствующие графики. 244
о
р. ф
3
О
И
Условия литья
Размер макроверна
Глубина усадочной раковины
Твердость темплета, МПа
Качество поверхности слитка
Температура металла, °C
Скорость опускания изложницы, мм/мн и
Температура воды в баке, °C
мм
р.
Ф о Е Р О О Е И
о
5g PUO
Е И
1
2
3
710
720
710
18
20
20
Содержание отчета
Схема и описание установки.
Технология литья слитков.
Таблица с экспериментальными данными.
Фотографии (рисунки) макроструктуры.
Графики.
Выводы.
Вместе с отчетом предъявляют макрошлифы.
Контрольные вопросы
Перечислите основные узлы установки для литья слитков методом погружения изложницы в воду.
В чем принципиальное отличне способа погружения от способа непрерывного литья?
Чем отличается способ погружения от литья слиткон в неводоохлаждаемые изложницы?
Как влияет скорость опускания изложницы на угол наклона столбчатых кристаллов к оси слитка?
Зачем установки для литья методом погружения комплектуют проходными печами?
Как влияет скорость опускания изложницы на глубину лунки в слитке?
Г Л А В А 10. РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ИЗГОТОВЛЕНИЯ ОТЛИВКИ
Работа 47
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ, НЕОБХОДИМЫХ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ КАЧЕСТВЕННОЙ
ОТЛИВКИ
Общие сведения
Для выполнения работы студенту выдают модельный комплект (модель и стержневые ящики) и рабочий журнал, в котором приведены задание, технические условия на отливку и форма технологической карты. Если лаборатория располагает
245
столярной мастерской, задание на разработку технологии выдается в виде чертежа детали. В технических условиях указывают необходимые механические свойства, требования к внешним и внутренним дефектам, определяется марка сплава.
Для того чтобы ознакомить студентов с большим кругом технологических вопросов, предусматривается разработка технологии применительно к литью в песчаные формы. В зависимости от возможностей лаборатории, формы заливают чугуном, сталью или алюминиевыми сплавами. С точки зрения удобства предпочтительнее использовать алюминиевые сплавы АЛ2, АЛ4, АК5М7.
С учетом технических условий и заданной (или разработанной самим студентом) конструкции модельного комплекта студент должен разработать технологию, обеспечивающую получение качественной отливки при минимальных затратах материалов и труда. Правильность разработанной технологии студент проверяет на опытных отливках.
Оборудование, инструмент и материалы
Печь для плавки сплавов, бегуны, печь для сушки стержней, механическая пила, разрывная машина, микроскоп, твердомер, комплект лабораторных приборов для испытания формовочных и стержневых смесей, станок для полирования шлифов, фотоаппарат, технические весы, установка А. П. Гудченко для оценки содержания газов в сплавах, переносной гальванометр с термопарой, комплекты опок различных размеров, наборы плавильнозаливочного, формовочного и слесарного инструмента, модельный комплект, исходные материалы для изготовления формовочной и стержневой смесей, вспомогательные материалы для изготовления форм и стержней, гипс, пластилин, трансформаторное масло и другие материалы, необходимые для изготовления и ремонта моделей и холодильников, исходные шихтовые материалы, химические реактивы для травления микро- и макрошлифов, фотореактивы, фотобумага, фотопластины; спецодежда и защитные очки.
Порядок проведения работы
Работа рассчитана на 24—28 ч.
Выбрать положение отливки в форме, конструкцию литниковой системы и рассчитать площади сечений ее каналов, определить места установки прибылей и рассчитать их размеры. Установить необходимость применения холодильников и места их установки.
Изготовить модели прибылей, литниковой системы и холодильников.
246
Изготовить холодильники.
Выбрать составы формовочной и стержневой смесей. Подготовить необходимое количество смесей и определить их свойства.
Изготовить стержни. Выбрать режим сушки стержней. Высушить стержни по выбранному режиму.
Изготовить форму. Определить необходимость сушки или подсушки формы. Если необходимо, осуществить сушку или подсушку. Собрать форму под заливку металлом.
Выбрать и обосновать технологию плавки, рафинирования и модифицирования сплава. Рассчитать шихту на получение сплава заданного состава, приготовить сплав.
Выбрать и обосновать температуру заливки сплава. Залить собранную форму.
Извлечь отливку из формы, выбить стержни. Сопоставить качество полученной отливки с требованиями технических условий по чистоте поверхности, механическим свойствам отдельно отлитых образцов, макроструктуре и пористости в сечениях, указанных преподавателем.
Составить заключение по опробованному варианту технологии, указав на эскизах отливки места расположения дефектов и их размеры.
По результатам оценки качества отливки внести необходимые изменения в первый вариант технологии.
Изготовить отливку по измененной технологии и оценить ее качество.
Внести дополнительные изменения в технологию. Отработку технологии вести до тех пор, пока не будет получена отливка, отвечающая требованиям задания.
По результатам выполненной работы составить технологическую карту на изготовление заданной отливки, отражающую оптимальные условия литья.
Результаты наблюдений и их обработка
Результаты работы по определению литейных свойств сплава, свойств формовочной и стержневой смесей и механических свойств сплава внести в технологическую карту после статистической обработки, определения доверительного интервала при вероятности 0,95 и оценки относительной погрешности измерений.
Содержание отчета
Технологическая карта.
Рабочий журнал.
Контрольная отливка.
Технологическая карта
Студент, группа
МИСиС, кафедра «Технология литейных процессов*
Шифр отливки
Марка сплава
Способ литья
Условия плавки
Температура перегрева,
Режим рафинирования
Режим модифицирования
Рафинирующее вещество
Количество рафинирующего вещества, %
Температура, °C
Продолжительность, мин
Модификатор
Количество модификатора, %
Температура, °C
Литейные свойства
Усадка линейная, %
Жидкотекучесть, мм
Содержание газов
свободная
затрудненная
Проба
Условия заливки
Вид пробы
Эталон по шкале пористости
Температура, °C
Диаметр отверстия воронки, мм
До рафинирования
После рафинирования
металла
формы
воронки
Свойства смесей
Смесь
Состав, %
Свойства
Влажность, %
Газопроницаемость, единицы
Прочность, кПа
Режим сушки
при сжатии
при растяжении
Формовочная
Стержневая
248■
Характеристика литниково-пита- ющей системы
Площадь сечеиия, см2
Прибыль
Выпор
стояка
шлакоуловителя
питателя
Площадь осиоваиия, см2
Высота, см
Эскиз
Размеры, см
Эскиз
Эскизы каркасов
Эскизы холодильников
Размеры опок, см
Эскизы стержней
Эскизы формы
Масса жидкого металла на одну форму, кг
Черновая масса отливки, кг
Масса отливки без литников, кг
Выход годного литья, %
Структура и свойства отлнвки
Механические свойства
ов, МПа
6, %
KCV, Дж/см2
НВ, МПа
Макроструктура сечеиий (фотография и описание)
Микроструктура (фотография и описание)
РАЗДЕЛ V
МЕТОДИКА ОБРАБОТКИ
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ
Целью лабораторной работы, как правило, является установление влияния выбранных независимых переменных на какую-либо целевую функцию. Независимые переменные, значения которых могут быть повторены, называют факторами. Значения, которые может принимать тот или иной фактор, называют уровнями фактора. В ходе лабораторной работы измеряют величину целевой функции, чаще всего называемой параметром, характеризующей определенное явление или свойство вещества.
Если при заданных температуре и химическом составе сплава по технологической пробе определена жидкотекучесть, то можно говорить о свойстве сплава при заданных условиях. Если же жидкотекучесть сплава постоянного состава определена при различных температурах, то изучено явление — зависимость жидкотекучести (параметра) от температуры (фактора).
Для оценки значений параметров проводят как прямые, так и косвенные измерения. В случае прямых измерений значение определяемой величины отсчитывается непосредственно по шкале прибора^ (значения линейной усадки, твердости) или по технологической пробе (значения глубины отбела, жидкотекучести).
При косвенных измерениях определяют значения некоторых вспомогательных величин (путем прямых измерений), которые затем используют для расчета значения параметра. Например, плотность различных тел определяют на основе результатов измерения их массы и объема, предел прочности металлов — на основе измерения усилия разрыва при растяжении и диаметра рабочей зоны исходного образца.
Несмотря на высокую точность используемых приборов и инструментов, измеряемые в опытах значения параметров или вспомогательных величин можно считать случайными. При повторении опытов с соблюдением всех условий значения параметров не будут одинаковыми. Это связано с воздействием на результаты измерений случайных погрешностей, к которым относятся различные случайные отклонения в уровнях факторов, подготовке проб, квалификации экспериментатора, ходе плавки и многие другие. Поэтому при изучении свойств или явлений нельзя использовать результаты единичных измерений.
Для выявления существующих закономерностей, определения достоверных свойств веществ в соответствии с законами теории вероятности и математической статистики необходимо проводить серии измерений с последующей математической обработкой экспериментальных результатов.
Оценка истинных значений параметров. Полученный при измерении (или рассчитанный на основе результатов измерений) результат не является истинным значением параметра (целевой функции). Однако, используя результаты измерений, можно определить приближенное значение параметра, которое называется оценкой истинного значения уист.
В качестве оценок истинного значения уист чаще всего выбирают среднее арифметическое у из результатов серии опытов (параллельных опытов):
у =у =Вз. + 9г + 9s + • •. + 9п .1 X? ..
у =
у =
пт
где ух, уг, .... yt —значения измеряемой величины в параллельных опытах; п — число опытов.
В теории вероятности доказывается, что по мере увеличения п приближенное равенство уист ^ У будет выполняться все с большей точностью.
Следовательно, в качестве оценки истинного значения измеряемой величины необходимо принимать среднее арифметическое результатов параллельных опытов.
Оценка надежности экспериментальных результатов. Приняв в качестве оценки истинного значения измеряемой величины среднее арифметическое, необходимо указать возможную погрешность, которая может быть при этом допущена. С этой целью определяется интервал Ду около у, в который с определенной вероятностью попадает истинное значение уист. Этот интервал называют доверительным.
Среднее арифметическое совокупности результатов ряда опытов подчиняется нормальному закону распределения со следующими параметрами:
центр распределения — истинное значение уист;
отклонение (дисперсия) относительно центра З/Уп (S — выборочное среднее квадратическое отклонение).
Среднее квадратическое отклонение определяется на основе экспериментальных результатов:
(9» — 8)а+ .-• +(Уп —У)2
где* Ду, = (у, — у).
Границы интервала, накрывающего истинное значение пара- у метра, соответствуют ±tPlftS/]/n, где tPjft—критерий Стьюдента.
Критерий Стьюдента имеет определенные значения для различного уровня надежности Р и числа степеней свободы к = — п — 1 (приложение, табл. П2). Математическая запись среднего значения с доверительными интервалами имеет вид
р {Уист 6 [у ~ VkSlA^n; у + tp,feS/]^]} = Р.
Это означает, что вероятность того, что истинное значение параметра принадлежит данному интервалу (у ± 1р,н81У~п) определена с надежностью Р.
Для практических задач доверительные интервалы определяются главным образом при вероятности 0,90; 0,95 и 0,99. Увеличение вероятности приводит к расширению той области, в которую должно попасть истинное значение параметра, т. е. повышается надежность. Но при этом падает точность значений в результате расширения доверительных границ.
Абсолютная и относительная погрешности экспериментальных результатов. Величина доверительного интервала Ау определяет абсолютную погрешность экспериментальных результатов, так как характеризует отклонения от истинного значения параметра. Наряду с абсолютной погрешностью для оценки точности результатов измерений используется относительная погрешность а, равная отношению абсолютной погрешности к среднему арифметическому :
а = (Ау/у)-100 %.
Обычно она выражается в процентах.
Оценка значимости экспериментальных результатов. При проведении измерений случайные погрешности могут приводить к появлению значений, сильно отличающихся от результатов других опытов, поставленных в тех же условиях. Все результаты оказывают влияние на среднее значение, поэтому необходимо оценить значимость «выпадающих» из каждой выборки экспериментальных результатов и определить возможность их использования.
Оценка значимости проводится после определения среднего квадратического отклонения и заключается в сравнении расчетного критерия v со стандартным при определенной вероятности (приложение, табл. ПЗ). Проверка значимости целесообразна при получении более пяти результатов параллельных опытов. Оцениваются максимальное утах и минимальное ymln значения параметра. Критерий v определяется как отношение абсолютного отклонения к среднему квадратическому:
vi = I (Ушах y)/S [;
v2 = | (Утщ — y)/S |.
Если расчетное значение v1 или v2 больше табличного, то экспериментальный результат угаах или ymln выбраковывается. Желательно в этом случае оценить значимость следующего результата. После исключения из числа экспериментальных результатов выпадающих вновь проводится расчет среднего арифметического и соответствующих доверительных интервалов.
Сравнение результатов измерений. В ряде случаев возникает необходимость провести сравнение значений одного и того же параметра, полученных в различных условиях, и установить, определяется ли различие в значениях параметра физическими явлениями или оно не существенно.
Для проведения сравнения необходимо рассчитывать среднее квадратическое отклонение по двум выборкам:
Sgl, У» = V"X^Sg, + kzSga)/(ki -|- fe),
где ^ = «1 — 1; А, = п2 — 1-
Сравнение двух совокупностей результатов измерений параметра с числом выборок пх и п2 проводят по расчетному критерию t, сопоставляя его с табличным значением критерия Стьюдента tp, k:
t =1(51- ^УТ/Ду,. дг |,
где к = ку -\- кг = пх -\- пг — 2.
Если полученное значение t больше табличного tp, k (см. приложение, табл. П2), то можно считать различие в значениях параметра этих совокупностей результатов измерений значимым и неслучайным.
Этот метод сравнения может быть использован лишь в случае небольших различий в значениях средних квадратических отклонений S^ и Sy,. Отношение Sy,/Sy, не должно превышать табличного значения критерия Фишера F для определенной вероятности Р и степеней свободы кг и &2 (приложение, табл. П4).
Алгоритм обработки результатов прямых измерений. 1. Рассчитать среднее арифметическое из результатов п параллельных опытов.
Найти отклонения значений параметра отдельных измерений от среднего Ду; и их квадраты ДуГ
Определить значение средней квадратической погрешности (отклонения) отдельных измерений S.
Задать значение вероятности (надежности) Р, по значению которой и числу опытов п определить табличное значение критерия Стьюдента.
Оценить значимость максимального и минимального значений параметра (если в этом возникает необходимость).
Рассчитать доверительные интервалы для выбранного уровня надежности. Записать значение параметра.
Найти относительную погрешность определения параметра.
Провести сравнение полученных результатов с имеющимися для изучаемого параметра.
Пример обработки результатов прямых измерений. В работе была определена жидкотекучесть силумина эвтектического состава (—11,5% Si) при температуре 680 °C. Опыты проводили с использованием спиральных проб, полученных в формах из химически твердеющей стержневой смеси. Было проведено восемь параллельных опытов, результаты измерения длины L спирали были занесены в таблицу.
Номер опыта
Ч
L
|Д6,|
Д£^ мм2
ММ
1
24
1
1
2
220
22
484
3
257
15
225
4
268
26
676
5
215
242
27
729
6
230
12
144
7
275
33
1089
8
225
17
289
Е
1933
—
—
3637
Рассчитаем среднее значение жидкотекучести (длины спирали) по восьми результатам опытов и полученный результат внесем н таблицу:
L= Ч/п = 1933 : 8 = 242 мм.
Вычислим отклонения результата каждого измерения от среднего значения:
A£i = |Li -£|.
Вычислим квадратическое отклонение каждого измерения ^Ц. Результаты расчетов Д£; и Д£^ внесем в таблицу.
Определим среднее квадратическое отклонение
S = К £ Д^Дп — 1) = 1/3637 : 7' « 22,8
Оценим значимость «крайних» значений результатов измерений длины спирали. Минимальное значение жидкотекучести 215 мм, макс имальное 275 мм.
Определим критерии Vj и va:
Для вероятности 0.95 и восьмк результатов измерений табличное значение критерия v = 2,17. Расчетные значения Vj и v2 меньше табличного, поэтому кра й- ние значения остаются в выборке.
Задаемся значением вероятности Р = 0,95. При числе степеней свободы й = п — 1 = 7 и Р = 0,95 значение критерия Стьюдента tp, д = 2,365.
Рассчитываем доверительные интервалы для среднего значения жидкотекучести сплава (абсолютная погрешность)
Д£ = ±tp, hSlVn =±2,365-22,8:1/8" = ±19.
Таким образом, жидкотекучесть силумина при температуре 680 °C (по спиральной пробе в песчаной форме) составляет
Р Кист €1242 ±19]} = 0,95.
Относительная погрешность при измерении длины спирали а = (AL/L) • 100 = 19 : 242-100 = 7,9 %.
Сравнение результатов измерения жидкотекучести силумина.
В другом эксперименте для тех же условий использовали спиральную пробу, полученную в форме нз обычной смеси без сушки. Результаты измерения длины спирали были обработаны аналогичным образом: л2 = 6; £$ = 223 мм; Sa = = 24,7; S| = 610.
В эксперименте с формой из стержневой холоднотвердеющей смеси были получены следующие результаты: п, = 8; ^ = 242 мм; Sj = 22,8; Sf = 520.
Проверим возможность применения метода сравнения.
Отношение S|/Sf = 610 : 520 = 1,18, что меньше табличного значения критерия Фишера (F = 3,79) для Р = 0,95; ki = 7; k^ = 5. Рассчитаем среднее квадратическое отклонение по двум выборкам:
1м^ + м!5i' = = V кхА-кй1м^ + м!5i' = = V кхА-кй7.520 + 5-610 ___„12— 23,/.7.520 + 5-610 ___„12— 23,/.
1м^ + м!
5i' = = V кхА-кй
1м^ + м!
5i' = = V кхА-кй
7.520 + 5-610 ___„
12— 23,/.
7.520 + 5-610 ___„
12— 23,/.
Рассчитаем вначение критерия t:
t =t =7-i — 7-2 Si, а7-i — 7-2 Si, а
t =
t =
7-i — 7-2 Si, а
7-i — 7-2 Si, а
для р= 0,95 и k— 12 табличное вначение критерия Стьюдента равно 2,179, что меньше расчетного. Следовательно, различие в значениях длины спирали, полученных при использовании форм из различных материалов, существенно и зависит не от случайных погрешностей, а от свойств смесей.
Алгоритм обработки результатов косвенных измерений. 1. Рассчитать среднее арифметическое всех вспомогательных величин (а, Б, сит. д.).
Найти отклонения значений вспомогательных величин от средних А& и их квадраты Azt
Определить значения средней квадратической погрешности измерений вспомогательных величин.
Оценить значимость крайних значений вспомогательных величин.
Рассчитать абсолютные погрешности определений каждой вспомогательной величины (Аб, Аб, Ас и т. д.) при одном и том же значении вероятности.
Найти оценку истинного значения параметра у, связанного с вспомогательными величинами известной функциональной зависимостью
У = F (б, Б, с).
Найти частные производные
Вычислить величину доверительного интервала (абсолютной > погрешности) параметра при выбранном уровне надежности
Ду -К(д№^^
Записать значение параметра у ± Ду.
Найти относительную погрешность определения параметра.
Пример обработки результатов косвенных измерений. По образцу из чугуна необходимо определить плотность металла. Метод определения плотности р расчетный:
р = M/V,
где М — масса образца, г; У — объем образца, см9.
Масса образца определяется взвешиванием на аналитических весах, объем — по уровню подъема жидкости при опускании в нее металлического образца. Результаты измерения вспомогательных величии М и V занесены в таблицу.
Номер опыта
My p
V., GM8
M
V
|ДЛМ
Myil
AAf9
AV|
1
8,03
1,1
0,05
0,03
0,0025
0,0009
2
8,05
1,15
0,03
0,02
0,0009
0,0004
3
8,10
1,2
0,02
0,07
0,0004
0,0049
4
8,12
1,1
8,08
1,13
0,04
0,03
0,0016
0,0009
5
8,08
1,2
0
0,07
0
0,0049
6
8,15
1,15
0,07
0,02
0,0049
0,0004
7
8,06
1,05
0,02
0,08
0,0004
0,0064
£
56,59
7,95
—
—
—
—.
0,0107 .
0,0188
1. Рассчитаем средние значения вспомогательных величин:
М-^ Мг/п = 56,59 : 7 = 8,08 г;
V = £ VfM = 7,95 : 7 = 1,13 см9.
Рассчитаем отклонения значений Mt и У^ от среднего и внесем результаты в таблицу.
Определим среднее квадратическое отклонение вспомогательных величин:
SM = V £ ДЛ4*/(п — 1) = У0,0107 : 6 = 0,042;
Sy = у £ Д^/(п — 1) = 1/0,0188 : 6 = 0,056.
Оценим значимость крайних значений вспомогательных величин: максимальные значения Л4П1ах = 7,15 г; Утах= 1,20 см9; минимальные значения Мщщ = = 7,03 г; ymtn — 1,05 см9.
Определим критерии
Vim =Vim =^max ~~~ М^max ~~~ М8,15 — 8,08 0,0428,15 — 8,08 0,042= 1,67;= 1,67;vir ^vir ^V max ~—J^SyV max ~—J^Sy1,20—1,130,561,20—1,130,56
Vim =
Vim =
^max ~~~ М
^max ~~~ М
8,15 — 8,08 0,042
8,15 — 8,08 0,042
= 1,67;
= 1,67;
vir ^
vir ^
V max ~—J^Sy
V max ~—J^Sy
1,20—1,130,56
1,20—1,130,56
^йМ =^йМ =vsy =vsy =Al mln AlSmAl mln AlSmV mln - VSvV mln - VSvI 8,03 — 8,08 _I 0,042- ’1,05 — 1,13 |0,056|*I 8,03 — 8,08 _I 0,042- ’1,05 — 1,13 |0,056|*
^йМ =
^йМ =
vsy =
vsy =
Al mln AlSm
Al mln AlSm
V mln - VSv
V mln - VSv
I 8,03 — 8,08 _
I 0,042- ’
1,05 — 1,13 |
0,056|*
I 8,03 — 8,08 _
I 0,042- ’
1,05 — 1,13 |
0,056|*
Для P = 0,95 и л = 7 табличное значение критерия v = 2,09, поэтому крайние значения не выбраковываются.
Рассчитаем абсолютные погрешности определения вспомогательных величин для Р — 0,95 (критерий t0,95. 6 — 2,447):
ДМ = tp, hSM/Vn = 2,447-0,042 : У? = 0,04;ДЙ = tp, kSv/Vn = 2,447-0,056 : УТ = 0,05.
Найдем оценку истинного значения плотности чугуна
р = MIV = 8,08 : 1,13 = 7,15 г/см9.
7. Определим частные производные:/ dp \117. Определим частные производные:/ dp \11др \дИ мЛдр \дИ мЛV1р2V1р2у 1,13у 1,13= 0,885;= 0,885;М== -6,312.М== -6,312.
7. Определим частные производные:
/ dp \11
7. Определим частные производные:
/ dp \11
др \
дИ мЛ
др \
дИ мЛ
V
1
р2
V
1
р2
у 1,13
у 1,13
= 0,885;
= 0,885;
М== -6,312.
М== -6,312.
Вычислим значение доверительного интервала плотности чугуна
Др = у(Эр/дМ)а ДМ» + (др/дИ)2 ДУ2 = У0,8852-0,042 + б.З^-О.Об2 = 0,3.
Следовательно, при Р = 0,95
Рист = (7,15 ± 0,3) г/см9.
Вычислим относительную погрешность определения плотности а = (Ар/р)-100 = 0,3 : 7,15-100 = 4,2 %.
Описание экспериментальных результатов функциональными зависимостями. При изучении различных явлений определяют значения параметра, изменяя уровни факторов. В этом случае экспериментальные результаты удобно представить в виде функциональной зависимости. Необходимо подобрать такую зависимость, которая отвечала бы принципу минимизации суммы квадратов отклонений расчетных у1расч и экспериментальных у^коп значений. Это означает, что
п
Q " 2 (Уг эксп 9i расч)2"ГПШ.
В общем случае вид зависимости, аппроксимирующей экспериментальные результаты, может выражаться многочленом к-й степени от х:
у — д0 + Ь^х 4- b^ -f- ^gX3 -f- • • • + b^x^.
Если k = 1, то связь между параметром у и фактором х в изученном интервале линейна и уравнение регрессии имеет следующий вид:
у -- Ьъ + Ьгх.
При k = 2 уравнение будет уже нелинейным относительно х:
у = Ьо + ^х + Ь2хг.
При k = —1 уравнение регрессии имеет вид
У = b0 -f- bjx.
Если экспериментальные результаты не показывают вид аппроксимирующей зависимости, то для подбора уравнения необходимо использовать шаговый принцип, т. е. получить линейную модель, проверить ее на адекватность (соответствие), а в случае неадекватности подобрать модели более высокого порядка.
Коэффициенты уравнений (регрессии) определяют на основе значений параметра у и фактора х. Для их расчета пользуются системой уравнений, причем число уравнений на единицу больше наивысшей степени модели (регрессии). Расчетные уравнения составляются путем подстановки степени модели от 0 до k в общее уравнение вида
ь0 g х* + ь, g х^ + ь2 g x^+2 + ... + 6 g x^ = g y^.
Уравнения для расчета коэффициентов различных моделей составляют следующим образом. В линейной модели типа у = = Ьо + Ьгх неизвестны значения коэффициентов Ьо и bt, k = 1 (показатель степени при х). Для нахождения двух коэффициентов необходимо составить как минимум два уравнения. Подставим в общее уравнение вначале к = 0, затем к = 1 и получим систему двух уравнений:
bo Е х? + bl Е Х?+’ = Е ytXbf=lЫ(=1
bo Е x*i + bl E x^1 = E ytXi.^i;=i;=i
Проведем преобразования:
nn
nb0 4~ b^ xt = Уь;=1(=1
nnn
bo E Xi + bv 2 A = E ytxt.
Z=1Z=1Z—1
Для модели типа у = Ьо + Ьгх + Ь^х1 необходимо составить систему из трех уравнений:
пЬо + ^i Zj ^i + ^2 Zj х< = Zj yf, <=1<=i t=i
bo Zj X; +bi£ х?+ba Zj x®=Zj9txt>
i=i1=1i=it=i
bo Zj xi "bb\Zj X®+^2 Zj xj=ZjУ1хь
i=ii=ii=ii=i
Для модели типа у = b0 + Ьг{х система расчетных уравнений следующая: пп
пЬй + Ьх Zj 1/Xj = Zj Уь
1=1t=l
bo Zj 1/Xj + b\ Zj 1/X( = Zj yilxi.
1=11=1i=I
Для обычной линейной модели коэффициенты рассчитывают по формулам, полученным из решения соответствующей системы уравнений:
(
п ппп\ I п/ п \ 21
Е tit Zj Xi-Zj xtZj VtXt ] « Zj x? —I E *i I
<=I f=I(=11=1/I L 1=1\i=l
(
nnn \ 1Г n( n\2"
n ^ytxt— Zj У12 Xi I / n Zjx? —I Zjxt)
;=i(=ii=i HL <=i\i=i/ J
/пZj Ltit Ui расч)8>1=1/пZj Ltit Ui расч)8>1=1Соответствие математической модели экспериментальным результатам проверяют, сравнивая табличное значение критерия Фишера F с расчетным:
/п
Zj Ltit Ui расч)8>
1=1
/п
Zj Ltit Ui расч)8>
1=1
"Лл
Ррасч —Ррасч —ZJ tot -ЙУ-Е (У1 - Ш расч)2
Ррасч —
Ррасч —
Li=ii=i
где yt — экспериментальные значения параметра; у — среднее значение параметра; yt расч — значение параметра по аппроксимирующему уравнению при тех же уровнях фактора xt; d — число значимых членов математической модели.
Табличное значение критерия Фишера определяют для выбранной вероятности Р и степеней свободы ki = 1; кг = п —d.
Если Ерасч > F, уравнение (математическая модель) считается значимым, т. е. модель адекватна экспериментальным результатам. Если Ерасч < F, то данная модель не может быть принята в качестве аппроксимирующей. В этом случае необходимо выбрать новую модель.
Пример подбора функциональной зависимости. При определении жидко- > текучести чугуна по спиральной пробе были получены следующие результаты:
Температура заливки /а, °C . . . 1240 1260 1280 1300 1320
Длина спирали1 L, мм 165205 310435 580
Среднее значение из трех результатов.
Требуется подобрать функциональную зависимость, устанавливающую связь между жидкотекучестью н температурой заливки чугуна L (у) — /3 (х). Представленные результаты показывают, что с повышением температуры заливки чугуна длина спирали увеличивается, поэтому возможна линейная связь в виде у = Ьо + ЬцХ.
Воспользуемся формулами для расчета коэффициентов 60 и Ь^. Для удобства проведенвя расчетов составим таблицу и определим значения сумм, входящих в формулы. Для облегчения расчетов проведем нормирование экспериментальных результатов, введем новые переменные ы, = 1280 — х^; Vj = i/f/50.
Номер опыта
ж<
«1
“<
”1
“1
“i°i
1
1240
165
40
3,3
1600
132
2
1260
205
20
4,1
400
82
3
1280
310
0
6,2
0
0
4
1300
435
—20
8,7
400
— 174
5
1320
580
—40
11,6
1600
—464
£
—
1695
0
33,9
4000
—424
Определим значения коэффициентов:
= 5 (—424) : 5 : 4000 = —0,106.
В нормированном виде
и = 6,78 — 0,106н.
Проведем обратную подстановку значений и и и с тем, чтобы перейти к экспериментальным значениям параметра и фактора: у/50 = 6,78 — 0,106 (1280 — х);
у = —6445 + 5,3х.
Для проверки адекватности линейной модели проведем расчеты отклонений. Вначале вычислим у:
у = Е yt[n = 1695:5 = 339.
Расчетные данные внесем в таблицу.
Номер опыта
т
У{ расч
У^У! расч
(i/j Ui расч)2
ut— и
Vt-ey
*i
1
165
127
38
1444
—174
30 276
1240
2
205
233
—28
784
—134
17 956
1260
3
310
339
—29
841
—29
841
1280
4
435
445
—10
100
96
9 216
1300
5
580
551
29
841
241
58 080
1320
Е
—
—
—
4010
—
116 369
—
Рассчитаем значение критерия Фишера (d = 2):
ппппРрасчРрасчЕ (№ - У? - Е (Si - Bi расч)2 (” - d)Иi=l.пЕ (Si ®i расч)2Е (№ - У? - Е (Si - Bi расч)2 (” - d)Иi=l.пЕ (Si ®i расч)2(116 369 — 4010)3-4010(116 369 — 4010)3-4010337 0774010 ~84,337 0774010 ~84,
п
п
п
п
Ррасч
Ррасч
Е (№ - У? - Е (Si - Bi расч)2 (” - d)
Иi=l.
п
Е (Si ®i расч)2
Е (№ - У? - Е (Si - Bi расч)2 (” - d)
Иi=l.
п
Е (Si ®i расч)2
(116 369 — 4010)3
-4010
(116 369 — 4010)3
-4010
337 077
4010 ~84,
337 077
4010 ~84,
Рис. 86. Влияние температуры заливки на жидкоте-Рис. 86. Влияние температуры заливки на жидкоте-кучесть чугунакучесть чугунарегрессионного анализа.регрессионного анализа.
Рис. 86. Влияние температуры заливки на жидкоте-
Рис. 86. Влияние температуры заливки на жидкоте-
кучесть чугуна
кучесть чугуна
регрессионного анализа.
регрессионного анализа.
Фишера при Р — 0,95Фишера при Р — 0,95Табличное значение критерия
Фишера при Р — 0,95
Фишера при Р — 0,95
(£ = 1; &2 = 3) равно 10, 13. Имеем Ррасч > F, поэтому линейная математическая модель с определенной вероятностью согласуется с экспериментальными данными. На рис. 86 дано графическое изображение математической модели связи жидкотекучести чугуна с температурой заливки и показаны экспериментальные результаты.
Для проведения подобных расчетов удобно пользоваться ЭВМ различных классов со стандартными программами
Контрольные вопросы
Чем отличаются прямые и косвенные измерения, в чем отличие их математической обработки?
Зачем определяют интервалы отклонений от средних значений параметров? Почему эти интервалы называют доверительными?
С какой целью экспериментальные результаты описывают функциональными зависимостями?
В чем заключается принцип наименьших квадратов?
Как составить систему уравнений для расчета коэффициентов регрессионной модели, аппроксимирующей экспериментальные результаты?
ПРАВИЛА ТЕХНИКИ БЕЗОПАСНОСТИ
Наиболее частыми видами травм при выполнении работ в литейной лаборатории являются ожоги, поражение током и ушибы. Причинами ожогов в большинстве случаев являются выброс расплавленного металла при загрузке в него влажной шихты в процессе плавки, брызги расплавленного металла при небрежной разливке, выброс жидкого металла при заливке в холодную металлическую или влажную песчаную форму, неосторожное обращение с горячими отливками. Поражение электрическим током связано с непосредственным соприкосновением с токонесущими частями различных лабораторных установок, замыканием на корпус электрических печей и двигателей, нарушением заземления, самовольным подсоединением лабораторного оборудования к источникам питания. Основной причиной ушибов является неосторожность и небрежность в обращении с инструментом и литейными формами при их перемещении.
Для предотвращения травм необходимо соблюдать следующие правила техники безопасности.
Не допускать самовольного включения приборов и установок в сеть.
Включать и выключать плавильные печи только в присутствии лаборанта. Перед включением проверить их заземление.
Загрузку тигля в печь и извлечение его из печи производить только при отключенном напряжении, надев рукавицы, защитные очки и головные уборы.
Не допускать загрузки влажных, неподогретых шихтовых материалов и флюсов в жидкий металл.
Выполнение любых операций с расплавленным металлом в печи (замер температуры, съем шлака, рафинирование, модифицирование, перемешивание, отбор проб металла и др.) проводить только при отключенном напряжении. При этом обязательно пользоваться защитными лицевыми щитками или очками, рукавицами и надевать головной убор. При работе использовать только окрашенный и просушенный плавильный инструмент.
Подогревать металлические формы перед их заполнением жидким металлом.
При заливке литейных форм металлом и переливе металла из печи в ковш обязательно пользоваться рукавицами, защитными лицевыми щитками или очками и головным убором.
Извлечение отливок из литейных форм производить не менее чем через 10—15 мин после заливки.
При возгорании магниевых сплавов в тигле, форме или на полу горящий металл необходимо срочно присыпать сухим флюсом ВИ2.
Загрузку и выгрузку любых материалов, стержней, литейных форм и изложниц в сушильные печи осуществлять только при отключенном напряжении, надев рукавицы.
Перед началом работы на оборудовании проверить его заземление.
При подготовке холоднотвердеющих смесей операции дозирования и введения кислоты выполнять с соблюдением инструкции по работе с химическими реактивами, обязательно пользоваться защитными очками и резиновыми перчатками.
При подготовке формовочных и стержневых смесей материалы загружать только в неработающие бегуны.
Травление макро- и микрошлифов проводить только в вытяжном шкафу.
Литейные формы и грузы массой более 16 кг перемещать только под наблюдением лаборанта.
СПИСОК РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
Емельянова А. П. Технология литейной формы. М.: Машиностроение, 1978. 239 с.
Курдюмов А. В., Ликунов М. В., Чурсин В. М. Литейное производство цветных и редких металлов. М.: Металлургия, 1982. 352 с.
Литейное производство/А. М. Михайлов, Б. В. Бауман, Б. Н. Благов и др.; Под общ. ред. д-ра техн, наук проф. А. М. Михайлова. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Машиностроение, 1987. 256 с.
Литье по выплавляемым моделям/В. Н. Иванов, С. А. Казенов, Б. С. Курч- ман и др.; Под общ. ред. Я. И. Шкленника и В. А. Озерова. 3-е изд. М.: Машиностроение, 1984. 406 с.
Производство отливок из сплавов цветных металлов/А. В. Курдюмов, М. В. Пикунов, В. М. Чурсин, Е. Л. Бибиков. М.: Металлургия, 1986. 416 с.
Степанов Ю. А., Баландин Г. Ф., Рыбкин В. А. Технология литейного производства. Специальные виды литья./Под общ. ред. д-ра техн, наук проф. Ю. А. Степанова. М.: Машиностроение, 1983. 237 с.
Титов Н. Д., Степанов Ю. А. Технология литейного производства. 3-е изд., перераб. и доп. М.: Машиностроение, 1985. 400 с.
Степанов Ю. А., Семенов В. И. Формовочные материалы. М.: Машиностроение, 1969. 157 с.
ПРИЛОЖЕНИЕ
Т а б л и ц а П1
Рекомендуемые составы песчано-смоляных смесей для изготовления стержней по нагреваемой оснастке
Связующее, %
Катализатор, %
Добавки, %
Сверх 100 % (100% песок марки О61К02 или О61К016)
2,5 КФ-90
2,5 КФ-90
0,3—0,45 ЛСФ-Б
0,5—0,75 ЛСФ-А
0,1 графита серебристого
0,1 стеарита кальция,
0,1 жидкого мыла «Исол*
Продолжение табл. ГП
>
Связующее,
%
Катализатор, %
Добавки, %8
0,9—1,0 КФ-35;
1,0—0,9 НВ-21А
3,0—4,0 фуритола-102М
2,0 фурнтола-107
2,0 фуритола-107
2,5 фуритола-125
2,5 УКС или М-19-62
2,0—3,5 М-3 или КВ-1
2,5 СФ-480
2,5 ЧФЖ-305
2,2 ФПР-24
2,5 СФ-411
0,4 катализатора № 2137
0,3—0,4 70 %-него водного раствора БСК
0,5 Ф-1
0,5 25%-ного водного раствора хлорной меди То же
0,2—0,3 10 %-него водного раствора щавелевой кислоты
0,1—0,25 борной кислоты, 0,25 уайт-спирита 0,5—0,6 М-1
0,6 ФС-26-6
0,6—0,7 М-1
До 0,3 оксида железа
0,8—0,1 смазка В; 0,025 жидкого мыла «Исол», до 0,2 этилового спирта
Примечание. В случае использования кварцевых песков других марок количество связующего и катализатора должно быть увеличено.
Значения критерия Стьюдента
tp. ft
Таблица П2
*р, к
при р
fe
0,9
0,95
0,99
0,999
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
6,314 2,920 2,353 2,132 2,015 1,943 1,895 1,860 1,833 1,812 1,796 1,782 1,771 1,761 1,753 1,746
1,740 1,734 1,729 1,725 1,721
12,206 4,303 3,182 2,776 2,571
2,447
2,365 2,306
2,262 2,228 2,201
2,179 2,160
2,145 2,131
2,120 2,110
2,101 2,093 2,086 2,080
63,657 9,925 5,841 4,604 4,032 3,707 3,489 3,355 3,250 3,169 3,106 3,055 3,012 2,977 2,947 2,921 2,898 2,878 2,861 2,849 2,831
636,619
31,598
12,941
8,610
6,859
5,959?
5,405*
5,041■ ;
4,781I
4,587I
4,437t
4,318|
4,2211
4,140I
4,073
4,015!
3,965
3,922
3,883
3,850
3,819
264
Продолжение табл. П2
к
tp, ft прн р
0,9
0.95
0,99
0,999
22
23
24
25
26
27
28
29
30
40
60
120
1,717 1,714
1,711
1,708
1,706
1,703
1,701
1,699
1,697 1,684
1,671
1,658
2,074 2,069 2,064 2,060 2,056 2,052 2,048 2,045 2,042 2,021
2,000 1,980
2,819 2,807
2,797 2,787 2,779 2,771 2,763
2,756 2,750 2,704 2,660 2,617
3,792 3,767 3,745 3,725 3,707 3,690 3,674 3,659 3,646
3,551 3,460 3,373
Таблица ПЗ
Значения критерия v
п
Р
п
Р
0,90
0,96
0,99
0,90
0,96
0,96
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
1,41 1,65
1,79 1,89 1,97 2,04 2,10 2,15 2,19 2,23 2,26 2,30
1,41 1,69
1,87 2,00 2,09 2,17 2,24 2,29 2,34 2,39 2,43 2,46
1,41
1,72
1,96 2,13 2,27
2,37
2,46 2,54 2,61
2,66 2,71
2,76
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
2,33
2,35
2,38
2,40
2,43
2,45
2,47
2,49
2,50
2,52
2,54
2,49
2,52
2,55
2,58
2,60
2,62
2,64
2,66
2,68
2,70
2,72
2,80 2,84 2,87
2,90 2,93 2,96 2,98 3,01 3,03 3,05 3,07
Таблица П4
Значения критерия Фишера F
hi
hi
7
8
9
10
20
7
8
9
10
18
19
20
2,78
2,62
2,51
2,41
2,08 2,06
2,04
р =
2,75
2,59
2,47
2,38 2,04 2,02 2,00
0,90
2,72 2,56
2,44 2,35 2,00
1,98 1,96
2,70 2,54 2,42 2,32
1,98 1,96 1,94
2,59 2,42 2,30 2,20
1,84 1,81
1,79
265
9Продолжение табл. П41hihi7891020'р =0,9573,793,733,683,633,4483,503,443,393,343,1593,293,233,183,132,93103,143,073,022,972,77182,582,512,462,412,19192,542,482,422,412,18202,512,452,392,352,12Р =0,9976,996,846,726,626,1686,186,035,915,815,36:95,615,475,355,264,81105,205,064,494,854,41183,843,713,603,513,08193,773,633,523,433,00203,703,563,463,372,499Продолжение табл. П41hihi7891020'р =0,9573,793,733,683,633,4483,503,443,393,343,1593,293,233,183,132,93103,143,073,022,972,77182,582,512,462,412,19192,542,482,422,412,18202,512,452,392,352,12Р =0,9976,996,846,726,626,1686,186,035,915,815,36:95,615,475,355,264,81105,205,064,494,854,41183,843,713,603,513,08193,773,633,523,433,00203,703,563,463,372,49ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ
9
Продолжение табл. П41
hi
hi
7
8
9
10
20'
р =
0,95
7
3,79
3,73
3,68
3,63
3,44
8
3,50
3,44
3,39
3,34
3,15
9
3,29
3,23
3,18
3,13
2,93
10
3,14
3,07
3,02
2,97
2,77
18
2,58
2,51
2,46
2,41
2,19
19
2,54
2,48
2,42
2,41
2,18
20
2,51
2,45
2,39
2,35
2,12
Р =
0,99
7
6,99
6,84
6,72
6,62
6,16
8
6,18
6,03
5,91
5,81
5,36:
9
5,61
5,47
5,35
5,26
4,81
10
5,20
5,06
4,49
4,85
4,41
18
3,84
3,71
3,60
3,51
3,08
19
3,77
3,63
3,52
3,43
3,00
20
3,70
3,56
3,46
3,37
2,49
9
Продолжение табл. П41
hi
hi
7
8
9
10
20'
р =
0,95
7
3,79
3,73
3,68
3,63
3,44
8
3,50
3,44
3,39
3,34
3,15
9
3,29
3,23
3,18
3,13
2,93
10
3,14
3,07
3,02
2,97
2,77
18
2,58
2,51
2,46
2,41
2,19
19
2,54
2,48
2,42
2,41
2,18
20
2,51
2,45
2,39
2,35
2,12
Р =
0,99
7
6,99
6,84
6,72
6,62
6,16
8
6,18
6,03
5,91
5,81
5,36:
9
5,61
5,47
5,35
5,26
4,81
10
5,20
5,06
4,49
4,85
4,41
18
3,84
3,71
3,60
3,51
3,08
19
3,77
3,63
3,52
3,43
3,00
20
3,70
3,56
3,46
3,37
2,49
ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ
ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ
Бегуны 18
Блоки модельные 80
Вакуум-проба 190
Гильза для определения газопроницаемости сухих и отвержденных образцов 26
Дегазация сплава 183—185
Душник 64
Жидкотекучесть 106
—• истинная 106
— практическая 107
— условно-истинная 106
Закон квадратного корня 139
Изложница 96
— для отбора пробы на излом 216
Измерения косвенные 250
— прямые 250
Интервал доверительный 251
—■ кристаллизации эффективный 130
Классификация глин 16—17
— графита в структуре чугуна 150— 151
— песков 8—11
— связующих 6
Канал вентиляционный 65
Кокиль 89, 90
— для отбора проб чугуна на отбел 92
Копер лабораторный 18
Коэффициент гравитационный 95
— затвердевания 139
Легирование чугуна 167—169
Ликвация дендритная 135
Литье слитков в изложницы 235—236
— наполнительное 235
— непрерывное 235, 238
— погружением в воду 243
Машины для изготовления стержней пескодувные 75
—■ — пескострельные 76
Метод гидростатического взвешивания 101—102
определения глинистой составляющей нормальный 12—13 ускоренный 13
склонности сплавов к образованию трещин при затрудненной усадке 131—183
Модель 49—50, 52, 78—79 Модификаторы графитизирующие 163—165
для алюминиевых сплавов 198, 202
магниевых сплавов 213, 214
медных сплавов 231
чугуна 158—160
стабилизирующие 163
Модифицирование алюминиевых бронз 231—232 сплавов 200—203 — вторичное 159 — графитизирующее 163 — магниевых сплавов 213—216 — медных сплавов 220 — перегревом 213—214 — присадками 216 — углеродсодержащими модификаторами 215—216 — чугуна 158—160, 163—165 Модуль жидкого стекла 40
Напряжения в отливке 130
Номограмма для определения количеств воды и ацетона, необходимых для гидролиза 1 кг этилсиликата 81 содержания водорода в сплавах I группы по методу Дардела— Гудченко 192
частоты вращения центробежной машины 96
Оболочки керамические 79
Образцы для определения склонности сплава к образованию трещин при затрудненной усадке 131—133 усадки литейной 120 объемной 126—127 Оснастка модельная 49
Параметр 250
Плавка алюминиевых сплавов 182—183 — магниевых сплавов 207—209 — медных сплавов 219, 221 — чугуна 147—148, 159
Плотность расплава 101
Поверхность отливки свободная 94
Погрешности случайные 250
Правило аддитивности 101 Преобразователь усилий механотрои- ный 102—103
Прибор для определения газотвор- ной способности смеси 35 —зернового состава песка 13 предела прочности смеси при растяжении в сухом состоянии 29 сжатии 20 — ■— во влажном состоянии 19 свободной линейной усадки 118—120
склсниости сплавов к образованию трещин при затрудненной усадке 131—132
Проба Да рдела — Гудченко 190—191 — для определения свойств стали 177 содержания газов в алюминиевых сплавах 188—191 — на жидкотекучесть 107—108 — Спасского и Кулагиной 189 — Спекторсвой и Лебедева 133 Процессы изготовления форм и стержней:
ЖСС-процесс 58—59
СО2-процесс 59—60
ХТС-процесс 60
Раскисление 221—222 Рафинирование сплавов: алюминиевых 183—191 магниевых 210 медных 219—220
Расширение предусадсчнсе 116 Режимы сушки стержней 38 Резит 70 Резитол 70 Резол 70
Сивертса закон 112
Силумин 180, 200
Слиток 234
Смеси формовочные:
влажность 23—24
газопроницаемость 24—26, 27
назначение 22—23
предел прочности при сжатии во влажном состоянии 17—18
сухом состоянии
20
прочность при растяжении в сухом состоянии 26—30
Состав зерновой песчаной основы 13 Составляющая песка глинистая 12—13 Способы литья специальные:
в оболочковые формы 84—88
— кокиль 89—91
по выплавляемым моделям 78—82 центробежное литье 94—98
Способность формы (стержня) теплоаккумулирующая 47, 140 Стержень 5, 50—51, 63
Температура начала линейной усадки 117 — нулевой жидкотекучести 106
Травители для выявления макроструктуры сплавов:
алюминиевых 114, 192, 199 магниевых 217 медных 233
Усадка 115
— доперлитная 155
— линейная 115, 117—118, 172
затрудненная 118
свободная 118 — объемная 115, 122 — послеперлитная 155 Установка для взбалтывания 12 литья слитков методом погружения (лабораторная) 243 непрерывного литья слитков (лабораторная) 240
определения содержания водорода по методу Да рдела — Гудченко 190—191 получения вакуум-пробы 189 центробежного литья (лабораторная) 95
электрофлюсового рафинирования 187
Фильтрование расплава 185—187 Фильтры зернистые 186—187 — сетчатые 186 — трубчатые керамические 187 Форма для литья по выплавляемым моделям 82 определения скорости затвердевания металла методом выливания 144 получения плоской плиты 48 ПрОб на объемную усадку 127 — литейная 5, 49 — металлическая для получения шариковой пробы на жидкотекучесть 108 — оболочковая 87
Формовка 49—50
— по неразъемной модели 54—56 разъемной модели в опоках 52—54 Формоза пол няемость 106
Часть стержня знаковая 63 рабочая 63 Чугун 149
Эквивалент углеродный 155
Ячейка дендритная 135
ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие 3
РАЗДЕЛ I. Технологические основы литейного производства
Глава 1. Свойства формовочных материалов и смесей (Л. Я- Козлов) 5
Работа 1. Определение марки формовочного песка. . . .7
Работа 2. Определение марки формовочной глины . . . .15
Работа 3. Определение свойств формовочных и стержневых смесей 22
Работа 4. Влияние воды и глины на свойства формовочных смесей. .31
Работа 5. Определение газотворной способности формовочных и стержневых смесей 34
Работа 6. Влияние режима сушки на прочность смесей 37 Работа 7. Влияние модуля жидкого стекла на прочность быстротвердеющих смесей 39
Работа 8. Влияние вида обработки иа прочность жидкостекольных смесей 42
Работа 9. Влияние добавок на выбиваемость жидкостекольных смесей 44
Работа 10. Определение теплоаккумулирующей способности формовочных смесей 47
Глава 2. Технология изготовления разовых форм и стержней. . . .49
Работа И. Изготовление форм по постоянным моделям
(Э. Б. Тен) 52
Работа 12. Изготовление форм и стержней с отверждением в холодной оснастке (Э. Б. Тен) 57
Работа 13. Изготовление стержней с упрочнением тепловой сушкой (Э. Б. Тен) 63
Работа 14. Изготовление стержней с отверждением в нагретой оснастке (Э. Б. Тен) 69
Работа 15. Изготовление стержней иа пескодувных и песко- стрельных машинах (Л. Я. Козлов) 74
Глава 3. Получение отливок специальными способами литья . . . . 7g
Работа 16. Литье по выплавляемым моделям (Б. В. Бауман)7^
Работа 17. Литье в оболочковые формы (Б. В. Бауман). .84
Работа 18. Изучение влияния температуры нагрева кокиля и теплопроводности красок иа структуру отливок (А. В. Курдюмов, Э. Б. Теи, С. П. Герасимов) gg
Работа 19. Исследование влияния температуры металла и скорости вращения формы на структуру и качество отливок, полученных центробежным литьем (А. В. Курдюмов, Э. Б. Тен, С. П. Герасимов) 94 269
РАЗДЕЛ И. Теоретические основы литейных процессов Ю1
Глава 4. Плотность и литейные свойства сплавов 101
Работа 20. Определение плотности металлически® расплавов (С. П. Герасимов) 101
Работа 21. Влияние температуры перегрева и состава сплава иа жидкотекучесть (М. В. Пикунов, Э. Б. Тен, С. В. Инкин) 105
Работа 22. Влияние влажности атмосферы на газонасыщен- иость алюминиевых расплавов (М. В. Пикуиов, Э. Б. Тен, С. В. Инкин) НО
Работа 23. Определение величины свободной и затрудненной линейной усадки сплавов (М. В. Пикунов). . .116
Работа 24. Определение величины объемной усадки сплава (А. М. Михайлов, А. В. Курдюмов) 122
Работа 25. Определение склонности сплавов к образованию трещин при затрудненной усадке (А. М. Михайлов, А. В. Курдюмов) 130
Глава 5. Затвердевание отливок 134
Работа 26. Влияние скорости охлаждения сплава на размер его дендритной ячейки (М. В. Пикунов). . .134
Работа 27. Влияние теплофизических свойств формовочных материалов на скорость затвердевания отливки (М. В. Пикуиов, Э. Б. Тен, С. В. Инкин). . .138
ве железа ве железа 147147РАЗДЕЛ III. Производство отливок из сплавов на осно
ве железа
ве железа
147
147
Глава 6. Плавка, рафинирование и модифицирование чугуна. . . .147
Работа 28. Оценка структуры чугуна отливои (В. И. Воронцов) 149
Работа 29. Влияние величины углеродного эквивалента на линейную усадку и жидкотекучесть чугуна (А. М. Михайлов, Л. Я- Козлов, В. И. Воронцов) 155
Работа 30. Получение чугунов с компактным графитом (В. И. Воронцов) 158
Работа 31. Модифицирование чугуна графитизирующими добавками (А. М. Михайлов, Л. Я- Козлов, В. И. Воронцов) 162
Работа 32. Влияние карбидообразующих элементов иа структуру белых износостойких чугунов (Л. Я- Козлов) 167
Глава 7. Плавка, рафинирование и модифицирование стали . . . .171
Работа 33. Литейная усадка и жидкотекучесть иелегиро- ваиных конструкционных сталей (А. М. Михайлов, Л. Я. Козлов, В. И. Воронцов)171
Работа 34. Влияние температуры заливки и режима охлаждения отливки на структуру стали 110Г13Л (А. М. Михайлов) 174
РАЗДЕЛ IV. Производство отливок из сплавов цветных
металлов iso
Глава 8. Плавка, рафинирование и модифицирование сплавов цветных металлов 180
Работа 35. Сравнение эффективности различных методов рафинирования алюминиевых сплавов от растворенных газов и твердых неметаллических включений (С. В. Инкин) 180
Работа 36. Исследование влияния титана и бора на размер зерна отливок из алюминиевых сплавов (С. В. Инкин) 195
Работа 37. Оценка эффективности модифицирующего действия натрия, стронция и фосфора. Влияние скорости охлаждения иа структуру силуминов (С. В. Инкии) 200
Работа 38. Исследование эффективности различных методов рафинирования магниевых сплавов от оксидных плен и шлаковых включений (А. В. Курдюмов) 206
Работа 39. Исследование эффективности мела и гексахлор- этаиа при модифицировании сплавов системы магний — алюминий — цинк (А. В. Курдюмов) 213
Работа 40. Раскисление меди (А. В. Курдюмов)218
Работа 41. Оценка эффективности различных способов рафинирования медных сплавов от неметаллических включений (А. В. Курдюмов) 225
Работа 42. Влияние интервала кристаллизации и скорости охлаждения иа усадочную пористость отливок из медных сплавов (С. П. Герасимов)228
Работа 43. Сравнение эффективности титана и бора при модифицировании алюминиевых бронз (С. П. Герасимов) 231
Глава 9. Производство слитков (А. В. Курдюмов) 234
Работа 44. Получение слитков литьем в изложницы . . . .235
Работа 45. Получение слитков непрерывным литьем . . .238
Работа 46. Получение слитков методом погружения изложницы в воду 242
Глава Ю. Разработка технологического процесса изготовления отливки (А. В. Курдюмов) 245
Работа 47. Определение технологических параметров, необходимых для получения качественной отливки 245
РАЗДЕЛ V. Методика обработки экспериментальных результатов (В. П. Соловьев) 250
Правила техники безопасности 262
Список рекомендуемой литературы 263
Приложение 263
Предметный указатель 267
ББК 34.61я73
Л12
УДК 621.74.001.53 (075.8)
Авторы: А. В. Курдюмов, А. М. Михайлов, Б. В. Бауман,Л. Я- Козлов, М. В. Пикунов, С. В. Инкин, Э. Б. Тен,С. П. Герасимов, В. П. Соловьев, В. И. Воронцов
Рецензент В. М. Чурсин(Московский вечерний металлургический институт)
Лабораторные работы по технологии литейного произ- Л12 водства: Учеб, пособие для студентов вузов по специальности «Литейное производство черных и цветных металлов»/ А. В. Курдюмов, А. М. Михайлов, Б. В. Бауман и др.; Под общ. ред. А. В. Курдюмова. — 2-еизд., перераб. и доп.— М.: Машиностроение, 1990. —272 с.: ил.
ISBN 5-217-00857-1
Содержит описание лабораторных работ по специальным курсам. Представлены работы по изучению свойств формовочных материалов и смесей, изготовлению форм и стержней, производству отливок специальными способами литья, определению литейных свойств сплавов, затвердеванию отливок, технологии плавки, рафинированию и модифицированию чугуна, стали и цветных металлов.
Второе издание (1-е изд. 1970 г.) дополнено новыми примерами, материалом по обработке экспериментальных данных.
_ 2704020000—225
Л038(01)^90 225~90ББК 34.61я73
ISBN 5-217-00857-1(g) А. В. Курдюмов, А. М. Михайлов,
Б. В. Бауман и др., 1990