СПЕЦИАЛЬНЫЕ ГЛАВЫ МЕТАЛЛОВЕДЕНИЯ В ЛИТЬЕ И СВАРКЕ

Методические указания

К практическим занятиям

по дисциплине

СПЕЦИАЛЬНЫЕ ГЛАВЫ МЕТАЛЛОВЕДЕНИЯ В ЛИТЬЕ И СВАРКЕ

Направление подготовки: 15.03.01 Машиностроение

Профиль подготовки: Машины и технология литейного производства

Форма обучения: очная

Тула 2014 г.

Методические указания к практическим занятиям составлены доцентом П.И. Маленко и утверждены на заседании кафедры СЛиТКМ механико-технологического факультета

протокол №_1 от "_30__" _августа_ 20 12 г.

Зав. кафедрой ___ _____ А.А. Протопопов

Методические указания к практическим занятиям пересмотрены и утверждены на заседании кафедры СЛиТКМ политехнического института

протокол №_1 от "_29__" _августа_ 20 14 г.

Зав. кафедрой ___ _____ А.А. Протопопов

ВВЕДЕНИЕ

Выполняя практические работы, входящие в сборник дисциплины “Специальные главы металловедения в литье и сварке”, студенты изучают важнейшие литейные свойства сплавов – усадку и жидкотекучесть, а также основные теплофизические свойства формовочных материалов: теплопроводность, теплоемкость, теплоаккумулирующую способность и температуропроводность. Студенты знакомятся с формированием остаточных напряжений в отливках, понятием газового режима литейной формы, характером распределения температур в системе “отливка-форма” и его влиянием на скорость затвердевания и структуру отливок. Большинство практических работ имеют научно-исследовательский характер и будут способствовать формированию навыков самостоятельной исследовательской работы студентов.

ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ №1

ИССЛЕДОВАНИЕ ЛИНЕЙНОЙ УСАДКИ ОТЛИВОК

1. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ПРАКТИЧЕСКОГО ЗАНЯТИЯ

Изучить явление линейной усадки отливок и определить влияние конструкции отливки на величину линейной усадки. Исследовать влияние состава сплава, температуры его плавки и заливки на величину линейной усадки.

2. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Усадка - важнейшее литейное свойство металлов и сплавов. Усадкой называют уменьшение размеров отливок при их охлаждении. Различают усадку в жидком состоянии, при затвердевании и в твердом состоянии. Усадка при затвердевании приводит к образованию усадочных раковин и пористости в отливках. Усадка в твердом состоянии и частично при затвердевании приводит к изменению линейных размеров отливок, что приходится учитывать при проектировании, увеличивая размеры литых деталей на величину усадки (т.е. назначая припуск на усадку).

Данная работа посвящена изучению линейной усадки отливок. Линейная усадка (ε_L) - это уменьшение линейных размеров отливки при её затвердевании и охлаждении до комнатной температуры. Линейная усадка начинается с момента образования в отливке сплошного скелета твердых кристаллов, т.е. в интервале затвердевания между точками ликвидуса и солидуса, и заканчивается при охлаждении отливки до температуры окружающей среды.

У ряда металлов и сплавов при высоких температурах перед началом усадки наблюдается небольшое расширение отливки, которое называется предусадочным расширением. Это расширение связано с фазовыми превращениями, газовыделением, с разогревом первичной твердой корки на поверхности отливки и другими явлениями. Предусадочное расширение уменьшает общую величину линейной усадки отливки.

Кроме этого линейная усадка отливок зависит от состава сплава, температуры его заливки в форму, от материала формы, ее конструкции и т.д. Линейная усадка, определяемая только свойствами самого сплава, называется свободной усадкой. В обычных условиях литья свободная усадка почти не встречается. Обычно литейщики имеют дело с так называемой затрудненной усадкой. Затрудненной называется усадка, которая протекает при наличии сопротивления или торможения усадки формой. Это торможение вызывается трением отливки о стенки формы из-за наличия стержней, выступающих частей формы, из-за теплового расширения формы и т.д. Кроме механического торможения, часто встречается и термическое торможение усадки, вызванное разной скоростью охлаждения отдельных частей отливки.

Поэтому действительная усадка каждой отливки индивидуальна и даже для одной отливки может быть различной в разных ее частях. Такая реальная усадка называется литейной (ε_L). В отличие от литейной, линейную усадку определяют на специальных образцах, изготовленных в виде стержней, прутков, брусков и т.д.

Между линейной и объемной усадками существует следующая зависимость:

,

где ε_V - объемная усадка; ε_L - линейная усадка.

В практике за величину усадки принимают относительные величины, выражающие изменение объема или длины при охлаждении отливки, %

;

,

где V₀ - начальный объем отливки в жидком состоянии при температуре жидкого металла (объём модели или формы); V₁ - объем отливки после затвердевания и охлаждения до температуры окружающей среды; L₀ - начальная длина (ширина, толщина) образца (измеряют по соответствующему размеру модели образца или формы) при температуре жидкого металла; L₁ - длина (ширина, толщина) образца при температуре окружающей среды.

Разницу между линейными размерами модели Х_мод и отливки L_0TJl, выраженную в процентах,

называют относительной литейной усадкой. Она отличается от величины линейной усадки, так как зависит не только от коэффициента линейной усадки и температуры затвердевания, но и от конструкции отливки, формы, технологии изготовления формы и т.д.

Коэффициенты линейной усадки, с которыми приходится оперировать на практике, определяются для всех литейных сплавов и выражаются в следующих цифрах: для чистого железа - 2,44 %, для технически чистого железа - 2,3970 %, для фасонных отливок из мягкой стали - 1,182-2 % (и даже до 2,2 %), для серого чугуна - 0,9-1,9 %. Как отмечалось выше, литейная (затрудненная) усадка определяется практически и может быть несколько меньше указанных значений.

Линейную и литейную усадку определяют измерением длины образцов при различной температуре в горизонтальном направлении. Направление измерения важно потому, что вследствие действия силы тяжести вертикальные размеры отливок меняются не только в твердом состоянии, тогда как горизонтальные размеры отливок не зависят от усадки в жидком состоянии.

2.1. Методика измерения линейной усадки

Существуют различные приборы для определения линейной усадки. Чаще всего применяются приборы Н.Ф. Большакова и А.А. Бочвара. Эти приборы построены по одному принципу - в них измеряется с помощью индикатора-микрометра уменьшение длины образца по мере его охлаждения. Отличие заключается только в способе передачи деформации образца к индикатору.

Рассмотрим принципиальную схему прибора для определения литейной усадки по методу А.А. Бочвара. Основу прибора составляет комбинированная, т.е. состоящая из металлической и песчаной частей форма. Полость формы имеет вид двутавра. Средняя часть формыоформляется смесью, а концевые части - металлом. Один конец формы находится в неподвижной части формы 1 (рис. 1), другой конец находится в подвижной части формы 2.

Рис. 1. Схема прибора для определения линейной усадки

по методу А.А. Бочвара

Ножка индикатора 3 упирается в подвижную часть формы и, следуя за ней в процессе усадки, перемещает стрелку индикатора фиксирующую величину усадки.

2.2. Работа прибора

В подвижную и неподвижную части прибора помещают модель образца, чтобы зафиксировать расстояние между ними (50 мм) и обеспечить формовку. Затем между вкладышем и неподвижной частью формы зазор заполняют формовочной смесью 5. Уплотняют смесь, устанавливают индикатор. После этого у формы извлекают модель, устанавливают стрелку индикатора на нуль и заливают металл сверху в полость образца 4. После того, как образовалась корка твердого металла, смесь вокруг образца можно разрыхлить или даже удалить, чтобы обеспечить свободную усадку. Если нужно измерить затрудненную усадку, то смесь не разрыхляют.

Относительная (в процентах от длины образца) величина линейной усадки определяется из соотношения

где Δ - показания индикатора, L_o6p - длина полученного образца.

Длину полученного образца после его полного охлаждения и извлечения из формы измеряют штангенциркулем. В форму может быть установлена головка термопары, соединенная с прибором КСП-4 для записи температуры. После окончания эксперимента записи расшифровывают и заносят в таблицу значения усадки образца и температуры, полученные в процессе охлаждения через каждые 30 с.

Данные таблицы позволяют построить графики линейной усадки образца в зависимости от его температуры и времени после заливки. Необходимо подчеркнуть, что для полного определения усадки образец необходимо охлаждать до комнатной температуры.

В приборе Большакова (рис. 2) в отличие от прибора Бочвара длина образца составляет 200 мм и весь образец формуется в формовочной смеси в специальной опоке 2. Движение от образца 4 к индикатору 6 передается с помощью каретки 5, связанной с образцом штырем 3, залитым в металле образца. Штырь фиксируется в отверстии каретки винтом 8. Второй штырь устанавливают в дальний конец образца, крепя его ко второй - неподвижной каретке, зафиксированной на стенке прибора 1. Таким образом, один конец образца связан со стенкой прибора и закреплен жестко, а второй свободен и может перемещаться, увлекая за собой каретку. Каретка перемещается по опоке на колесах 7.

Наконец, измерить усадку можно и без приборов. Для этого заформовывают образцы сечением 20x20 мм и длиной 250 мм в виде прямого бруска или двутавра. В моделях образцов на расстоянии 200 мм имеются отверстия d=10 мм. Через эти отверстия перед извлечением модели в форме делают керном небольшие конусные углубления. После заливки и охлаждения отливок расстояние между полученными выступами измеряют штангенциркулем. По данным измерений находят литейную усадку

Работа имеет учебно-исследовательский характер, поэтому по указанию преподавателя следует заливать несколько образцов при различном составе сплава (например, образец № 1 - чистый Аl, образец № 2 - силумин, образец № 3 - цинковый сплав и т.д.).

Рис. 2. Схема прибора для определения усадки по методу Большакова:

а - образец для измерения свободной усадки;

б - образец для измерения затрудненной усадки

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

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

3. ОБОРУДОВАНИЕ, ИНСТРУМЕНТ И МАТЕРИАЛЫ

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

4. ПОРЯДОК ПРОВЕДЕНИЯ РАБОТЫ

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

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

3. Расплавить алюминиевый сплав и перегреть его до температуры 750-800 ⁰С. Ввести добавки по указанию преподавателя.

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

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

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

7. Построить графики полученных зависимостей по указанию преподавателя.

8. Составить отчет.

5. СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА

1. Наименование работы.

2. Цель работы.

3. Порядок выполнения работы.

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

5. Расчеты литейной и линейной усадки.

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

7. Графики полученных зависимостей.

8. Основные выводы по работе.

6. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Что такое усадка и какие пороки она порождает?

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

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

4. Охарактеризуйте предусадочное расширение и какие факторы вызывают его?

5. Что такое затрудненная усадка отливки?

6. Чем отличается литейная усадка от линейной?

7. Как влияет состав сплава и материал формы на величину усадки?

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: