ДОСЛІДЖЕННЯ ВПЛИВУ ТЕМПЕРАТУРИ ЗАЛИВАННЯ НА РІДКО-ПЛИННІСТЬ СПЛАВУМета роботи: засвоїти методику визначення рідкоплинності ливарних сплавів; вивчити залежність рідкоплинності від температури сплаву, що заливається, та від вологості ливарної форми.
5.1.Прилади, устаткування і матеріали 1. Плавильна піч. 2. Модельно-опокова оснастка. 3. Набір формувальних інструментів. 4. Формувальна суміш. 5. Шихтові матеріали. 5.2.Короткі теоретичні відомості Крім механічних, фізичних і хімічних властивостей, ливарні сплави повинні мати визначені технологічні ливарні властивості, головними з яких є: рідкоплинність; ліквація; газопоглинання; об'ємна й ливарна усадки сплаву. 1. Рідкоплинність - це спроможність ливарних сплавів у рідкому стані швидко заповнювати найбільш складні за конфігурацією та вузькі порожнини ливарної форми. Якщо метал, що заливається у форму, буде в’язким (грузьким), він швидко закристалізується і не заповнить вузькі (щілиноподібні) порожнини форми, а це призведе до браку виливка у вигляді недоливу. Рідкоплинність сплаву визначає мінімально можливу товщину стінки виливка: чим вища рідкоплинність, тим меншу товщину стінки виливка можна одержати, тобто товщина стінки виливка наближається до розрахункового або точно відповідає їй. Якщо ж сплав дуже в’язкий, розрахункову товщину стінки доводиться завищувати, а це призводить до переобтяження виливка і перевитрат металу. Рідкоплинність сплаву залежить від температури його заливання й хімічного складу, а також від стану ливарної форми. Чим вища температура заливання сплаву, тим менша його в’язкість і вища рідкоплинність. Проте перегрівати сплав вище від певного рівня не рекомендується, тому що збільшується кількість розчинених у ньому газів, що може бути причиною утворення газових раковин у виливку, і крім того, сильно перегрітий метал підвищує небезпеку збільшення пригару формувальної (і стрижневої) суміші до виливка. Щоб підібрати оптимальну температуру заливання форми для даного сплаву, відливають технологічні проби при різних температурах перегріву. Найбільш поширені спіральні проби (рис.1). Після одержання виливка спіральної проби визначають її довжину за кількістю позначок (бугорків), розташованих через кожні 50 мм. Довжина спіралі, виражена в міліметрах, є характеристикою рідкоплинності сплаву при даній температурі заливання.
Рис.1. Технологічна проба для визначення рідкоплинності
Чисті метали, а також їх евтектичні (легкоплавкі) сплави мають добру рідкоплинність. При додаванні фосфору рідкоплинність чавуну і бронзи підвищується. Вміст від 0, 5 до 1, 5% фосфору в чавуні дозволяє відливати тонкостінні опалювальні радіатори, поршневі кільця й інші тонкостінні деталі. З бронзи з 1% фосфору одержують художні виливки скульптур, барельєфи тонкостінних ґраток. Тугоплавкі компоненти (W, Ti, Mo, V) погіршують рідкоплинність сплаву. Крім указаних причин, заповнюваність ливарної форми рідким металом залежить від шорсткості каналів ливникової системи, порожнини форми, поверхні стрижня. Тому підвищену заповнюваність мають ливарні форми із сумішей із використанням дрібнозернистих пісків. Суха нагріта форма краще заповнюється рідким металом, тому що холодна сира форма знижує температуру металу, що заливається, а це погіршує його рідкоплинність. 2. Ліквація - неоднорідність сплаву за хімічним складом у різноманітних частинах перетину виливка. Причиною ліквації є спрямована кристалізація сплаву від поверхні до центра стінки виливка. У першу чергу окристалізуваються тугоплавкі компоненти сплаву і їх кристали, що ростуть, відтісняючи легкоплавкі компоненти від периферії до центра. У результаті утворюється різноманітний вміст легкоплавких домішок у поверхні й у центрі стінки виливка. Найбільше ліквідують шкідливі домішки - сірка і фосфор. Неоднорідність за хімічним складом викликає неоднорідність властивостей сплаву по перетину виливка. З ліквацією можна боротися прискореним охолодженням виливків у формі. 3. Газопоглинання - це здатність металу в рідкому стані розчиняти в собі гази, розчинність яких при охолодженні в ливарній формі знижується і які інтенсивно виділяються з металу. Якщо газопроникність формувальної та стрижневої сумішей недостатня, то у виливку можуть утворитися газові раковини. Розчинність газів у рідкому металі зростає зі збільшенням перегріву. Тому значний перегрів металу перед заливанням небажаний. 4. Об'ємна усадка металу - зменшення обсягу металу виливка в процесі кристалізації. Виникає вона тому, що в рідкому стані метал займає більший об’єм, ніж у твердому стані з щільним упаковуванням атомів у вигляді просторової кристалічної ґратки. Затвердіння металу в кожному перетині виливка відбувається пошарово від периферії до центра. Отже, під шкіркою виливка, що утворюється в перший момент кристалізації, знаходиться ізольований від зовнішнього середовища рідкий метал, який кристалізується із зменшенням об’єму. В результаті в середині масивного перетину (де метал кристалізується в останню чергу) утворюється концентрована усадочна раковина або розосереджена шпаристість (пористість). Для боротьби з концентрованими усадочними раковинами у виливках існують такі методи: - конструювання рівностінних виливків; - установлення холодильників; - установлення додатків. У виливків, що мають однакову товщину стінки, кристалізація закінчується одночасно по всьому перетині, тому недостача металу як результат об'ємної усадки не виражається у вигляді концентрованої усадочної раковини, а розподіляється по осі перетину виливка рівномірно у вигляді усадочної шпаристості. При конструюванні виливка його намагаються робити по можливості зі стінкою однакової товщини. Якщо виливок має неминучі потовщення, встановленням холодильників можна штучно створити одночасне затвердіння металу в місцях скупчення. У якості холодильників беруть чавунні або сталеві бруски, що закладають у стінки ливарної форми проти потовщених місць виливка. Металева частина форми (холодильники) швидко віднімає тепло в залитого металу, збільшуючи швидкість охолодження потовщеного перетину виливка і тим самим сприяючи одночасному затвердінню тонких та товстих пластин виливка. Проте одночасне затвердіння виливка не забезпечує одержання щільного металу по всій товщині стінки. По осі стінки виливка обов'язково утвориться усадочна шпаристість. Тому два перших методи (рівностінність виливка й установлення холодильників) застосовуються тільки у випадку, коли сплав має невеличку об'ємну усадку (наприклад, сірий чавун) або коли від виливка не потрібно великої щільності. Щоб одержати виливок без шпаристості зі сплаву з підвищеною об'ємною усадкою (наприклад, із сталі), необхідно забезпечити спрямоване затвердіння металу знизу нагору, а вгорі виливка утворити додаткову порожнину - додаток. У цьому випадку частина виливка, що лежить нижче, у процесі кристалізації буде підживлюватися за рахунок рідкого металу, що знаходиться вище, а та, у свою чергу, за рахунок металу додатка. Додаток кристалізується в останню чергу (тому що має найбільший перетин). Концентрована усадочна раковина утвориться в додатку, що згодом обрізають від виливка. Додаток є також приймачем усіх ліквацій і забруднень металу, які відтіснилися до місця найбільш пізнього затвердіння. Перетин додатку повинен бути в 1, 3 разу більший від того перетину виливка, який він підживлює, а висота додатку повинна бути в 1, 5 разу більша за його перетин. Таким чином, відносна маса прибутку коливається від маси виливка в межах від 25...150% і більше. Встановлення додатків збільшує витрати рідкого металу й обсяг механічної обробки, а отже, і збільшує вартість виливка. Різноманітні ливарні сплави мають об'ємну усадку: найбільшу усадку мають алюмінієві бронзи (7, 2...7, 4%), латуні (5, 7...6, 1%) і вуглецева сталь (5...6%). Тому при одержанні литва з цих сплавів необхідно встановлювати прибутки навіть для невеличких за масою виливків, у той час як для сірого чавуну з невеличкою об'ємною усадкою (2, 9...3, 1%) прибутки встановлюють тільки для значних за масою виливків.
5.3.Порядок виконання роботи 1. Приступаючи до виконання роботи, необхідно усвідомити, що рідкоплинність - це здатність металів заповнювати в розплавленому стані порожнину ливарної форми й точно відтворювати обриси виливка. Рідкоплинність належить до групи ливарних властивостей і залежить від таких чинників: - фізичних властивостей сплаву (в’язкості, поверхневого натягу, теплоти кристалізації, вмісту домішок, схильності до окислення); - властивостей ливарної форми (матеріалу, шорсткості стінок, теплопровідності, вологості); - умов заповнення форми (напору металу, конструкції ливникової системи, наявності неметалевих включень у металі). Найбільш важливим чинником, що впливає на рідинноплинність сплавів, є температура заливання. 2.Перед виконанням експериментальної частини необхідно ознайомитися з моделлю, пробою для визначення рідкоплинності. 3.Виготовити в парних опоках за моделлю спіралі три піщано-глиняні форми. 4.Підготувати сплав заданого складу (силумін) і залити його у форми при температурі 6500, 7500 та 8000 С. 5.Остудити виливки протягом 10...15 хв., витягти їх із форм й очистити від формувальної суміші. 6.Виміряти довжину одержаної спіралі і занести результати вимірів у табл. 5.1. Таблиця 5.1 Вплив температури заливання на рідкоплинність сплаву
7.Побудувати графік залежності рідкоплинності сплаву від температури заливання й обговорити результати дослідження.
5.4.Оформлення звіту про лабораторну роботу Виконавши роботу, студент повинен представити до наступного заняття оформлений звіт, у котрому необхідно: - викласти мету роботи; - дати визначення рідкоплинності; - подати вплив різних факторів на рідкоплинність, а особливо властивості розплаву та ливарної форми; - привести порівняльні дані по рідкоплинності чавунів, сталей і сплавів кольорових металів; - навести схему технологічної проби - спіралі; - дати стислий опис виконаної роботи; - подати таблицю з результатами дослідження і графік залежності рідкоплинності сплаву від температури заливання; - зробити відповідні висновки.
5.5.Питання для самоперевірки
1. Що таке рідкоплинність сплаву? 2. Які фактори впливають на рідкоплинність та які вимоги ставляться до розплаву і до ливарної форми,? 3. Дати порівняльну характеристику рідкоплинності чавунів, сталей, кольорових металів та їх сплавів. 4. Які дефекти можуть виникати у виливках через низьку рідкоплинність ливарних сплавів? 5. Яким методом визначають рідкоплинність? [1, стор.135-136; 2, стор.93-94; 3, стор.213-214] Лабораторна робота 6
Д ОСЛІДЖЕННЯ УСАДКИ ЛИВАРНИХ СПЛАВІВ
Мета роботи - засвоїти методику визначення лінійної (вільної й утрудненої) та об'ємної усадки сплаву; вивчити зміни усадки сплаву залежно від температури заливання.
6.1.Прилади, устаткування, матеріали
1. Плавильна піч. 2. Термопара з регулювальним пристроєм. 3. Модельно-опокова оснастка. 4. Набір формувальних інструментів. 5. Мірна бюретка або циліндр. 6. Штангенциркуль. 7. Формувальна суміш. 8. Шихтові матеріали. 9. Гас.
6.2.Короткі теоретичні відомості
Усадка - це властивість металів і сплавів зменшувати лінійні розміри виливка в процесі його кристалізації та наступного охолодження до нормальної температури. Розрізняють вільну й утруднену усадки металу. Якщо метал затвердів у ливарній формі, яка буде перешкоджати усадці металу (виливок має виступи, фланці, отвори, утворені стрижнями і т.п.), то усадка буде утрудненою. Якщо виливок має просту конфігурацію (без виступів, фланців, отворів і т.п.), ливарна форма не буде перешкоджати усадці виливка, то й усадка буде вільною. Лінійну усадку звичайно виражають як різницю між лінійними розмірами форми й охолодженого виливка стосовно початкових розмірів порожнини форми у відсотках. Якщо метал закристалізувався й охолонув до нормальної температури в ливарній формі, то ливарна форма і особливо стрижні, що знаходяться в середині виливка, перешкоджають лінійній усадці металу, в результаті чого у виливку виникають напруги. Якщо сплав виливка має значну лінійну усадку, а стрижнева і формувальна суміші непіддатливі, то напруги, що виникають у виливку, можуть перевищити міцність сплаву й у виливку утворяться тріщини (у гарячому стані міцність металу нижча, ніж при нормальних температурах). Тріщини частіше виникають у виливках складної конфігурації з різкими переходами від тонких до масивних перетинів. Крім виникнення напружень і тріщин, лінійна усадка сплаву може призвести до браку виливка за розмірами, якщо при виготовленні моделі виливка не враховувався розмір лінійної усадки металу, котрий заливається в ливарну форму. Для запобігання браку виливка при виготовленні ливарної форми необхідно враховувати лінійну усадку сплаву. Формувальну і стрижневу суміші роблять податливою, яка б у процесі лінійної усадки металу (стрижень та форма) менше перешкоджали їй. Підвищити податливість стрижневої суміші можна добавкою дерев’яної тирси або використанням у якості закріплювачів штучних смол. Дерев’яна тирса вигорає ще в процесі сушіння стрижня й за рахунок шпар, що утворяться, податливість стрижня підвищується. Смоляні закріплювачі при контакті з металом, у момент кінця його кристалізації, поступово вигорають, і міцність стрижня зменшується, тим самим підвищується його податливість. Модель виливка виготовляють також з урахуванням лінійної усадки сплаву, для чого модельник користується усадочним метром. Усадочний метр відрізняється від звичайного тим, що значення кожної його поділки збільшене на 1 або 2% відповідно для чавунних і сталевих виливків. Користуючись усадочним метром, модельник автоматично збільшує розміри моделі на розмір лінійної усадки відповідного сплаву. Лінійна усадка для різноманітних ливарних сплавів різна. Так, лінійна усадка сірого чавуну найменша і складає в середньому 1%, вуглецевої сталі 2%, деяких легованих сталей - більше ніж 2%, кольорових сплавів - 1, 2...2%. Для визначення утрудненої ливарної усадки відливають пробу з виступами, зображену на рис. 6.1, а вільну лінійну усадку визначають за допомогою проби у вигляді призматичного стрижня без виступів із поперечним перетином 25х25 і довжиною 300 мм (рис.6.2). У даній роботі вільна лінійна усадка визначається за призматичною пробою. Щоб відрізнити таку пробу, в опоці заформовують сталеву скобу Кіппа, призначення якої - точно зафіксувати довжину порожнини 3 у формі, отриманої за допомогою моделі. Модель із форми видаляють, а скоба Кіппа під час заливання металу залишається у формі. Після заливання форми метал витримують до повного охолодження, форму руйнують і витягають виливок.
Рис.6.1.
Рис.6.2.
6.3.Порядок виконання роботи
1.Приступаючи до виконання роботи, необхідно усвідомити, що об'ємна усадка характеризує схильність сплаву до утворення усадочних порожнин та раковин у виливках. Лінійна усадка починає з'являтися з моменту, коли на поверхні виливка утворилася достатньо тверда шкірка і скелет кристалів, спроможних протистояти статичному тискові металу. З цього моменту, поряд із зміною об’єму виливка, починають змінюватися його лінійні розміри. Процес усадки, умовлений тільки властивостями самого сплаву, називають лінійною вільною усадкою. У реальних умовах при гальмуванні усадки формою, стрижнями тощо має місце лінійна утруднена усадка. 2.Перед виконанням експериментальної частини необхідно ознайомитися з технологічними пробами для визначення лінійної й об'ємної усадки. 3.За моделями проб на усадку в парних опоках виготовити форми. 4.Підготувати алюмінієвий сплав заданого складу і залити його у форми при температурі 6500, 7500 і 8500 С. 5.Остудити виливки протягом 10...15 хвилин, витягти їх із форм й очистити від формувальної суміші. 6.Виміряти довжину охолоджених проб виливків без фланців (вільна усадка) та між фланцями (утруднена усадка). Виміряти також довжину відповідних відбитків моделі у формі. 7.Розрахувати вільну й утруднену усадку за формулами:
де l0 - . довжина відбитка моделі без фланців, мм; lв - довжина виливка при вільній усадці, мм; lф - довжина відбитка моделі між фланцями, мм; lу - відстань між фланцями на виливку, мм; 8.Оглянути виливки і визначити розмір усадочних раковин шляхом заповнення їх гасом із мірної бюретки. 9.Розрахувати об'ємну усадку сплаву за формулою
де Vр. - об’єм раковини, см3.; Vв - об’єм виливка, см3.. 10. Результати експериментів та вимірювань занести в табл. 5.1
Таблиця 6.1 Вплив температури заливання на усадку сплаву
11. Побудувати графіки залежності усадки сплаву від температури заливання та проаналізувати результати досліджень.
6.4.Оформлення звіту про лабораторну роботу
Виконавши роботу, студент має представити до наступного заняття оформлений звіт, у якому необхідно: - викласти мету роботи; - дати визначення усадки (лінійної й об'ємної); - зазначити вплив різноманітних чинників на розмір усадки сплавів; - виконати стислий опис виконаної роботи; - показати схеми форм для визначення лінійної й об'ємної усадки; - навести таблицю з результатами досліджень і графіки залежності усадки сплаву від температури заливання; - пояснити одержані результати.
6.5.Питання для самоперевірки
1. Що таке усадка сплаву і які її різновиди? 2.У яких випадках має місце лінійна вільна і лінійна утруднена усадка? 3.Які фактори впливають на величину усадки? 4.Як визначити лінійну усадку сплаву? 5.Як визначити об'ємну усадку сплаву? 6.Які дефекти у виливках можуть виникати через усадку сплаву? 7.Якими способами можна компенсувати шкідливий вплив усадки сплаву на якість виливків?
[1, стор.136...140; 2, стор. 93...94; 3, стор. 214]
Лабораторна робота 7
|
(6.1)
, (6.2)
