1. Расчет жидкотекучести сплавов

При течении перегретого сплава в канале формы головная часть проходит следующие три этапа:

1. Этап, когда температура на границе головная часть потока – форма T_к выше температуры нулевой жидкотекучести T^*. В конце этапа T_к= T^*.

2. Этап, в течение которого T_к=T^*, а температура в объеме головы потока выше температуры ликвидуса. В конце этапа голова потока теряет перегрев.

3. Головная часть потока течет без перегрева. В конце этапа поток останавливается по одному из рассмотренных выше механизмов.

Таким образом, длительность течения сплава до остановки τ_теч определяется как сумма длительностей указанных этапов:

.

Тепловой и гидродинамический анализ приводит к следующим формулам для расчета жидкотекучести (см. материал лекций):

,

где Н - действующий напор (см. рис.1);

,

где – удельная теплоемкость и плотность жидкого сплава:

α – коэффициент теплоотдачи от сплава к форме, Вт/(см ·К);

R=S/Р – приведенный размер канала, см;

S – площадь сечения канала, см;

Р – периметр сечения канала, см;

b₁ и b₂ – коэффициенты аккумуляции тепла сплавом и формой;

Т₁₀ и Т₂₀ – температура заливки сплава и начальная температура формы, °С;

Т_ликв – температура ликвидуса, °С;

Т^*_н.ж – температура нулевой жидкотекучести, °С;

β – коэффициент, равный 1 для широкоинтервальных сплавов и 0,33 для узкоинтервальных сплавов;

,

где m – эмпирически определенный коэффициент;

ζ_c – коэффициент потерь напора.

2. Определение величины жидкотекучести

ПО СПИРАЛЬНОЙ ПРОБЕ

2.1. Изготовление форм

В настоящей работе жидкотекучесть измеряется с помощью спиральной пробы, схема которой изображена на рис. 2. Формовка осуществляется в двух опоках по металлическим моделям. В нижней опоке располагается спираль с зумпфом, в верхней – выполняется стояк и литниковая чаша.

Для выявления влияния температуры на жидкотекучесть все формы в одном эксперименте должны изготовляться из одной смеси с одинаковой плотностью набивки. Для выводов газов из полости спирали делаются наколы. Из формы удаляют мусор, рабочая поверхность тщательно отделывается.

Количество изготовляемых форм задается руководителем практикума. При сборке формы следует контролировать правильность совмещения отверстий в литниковых каналах, а также не допускать больших зазоров по разъему во избежание заливов. Собранные формы накрываются грузом.

2.2. Методика заливки песчаной пробы на жидкотекучесть по ГОСТ16438-70*

1. Плавка металла осуществляется в печи под руководством преподавателя.

2. Собрать подготовленную форму для заливки, как это указано на рис. 2. Соприкасающиеся поверхности стопора и литниковой чаши для лучшего скольжения натереть графитом.

3. Установить собранную форму по уровню строго горизонтально.

4. Замерить температуру формы. Она должна быть 25 ± 10 °С.

5. Замерить температуру металла, предназначенного для заливки, малоинерционной термопарой в зависимости от металла или сплава. ГОСТом рекомендуется температуру заливки применять на 10 ± 0,5 % выше абсолютной температуры плавления (для чистых металлов) или температуры ликвидуса (для сплавов).

6. Залить жидкий металл в полость литниковой чаши до уровня порога (рис. 2). Излишки металла сливаются в полость Б для того, чтобы уровень металла в чаше был постоянным.

7. Записать температуру залитого в чашу металла по показаниям термопары, находящейся в чаше. Время нахождения металла в чаше – 10±2 с.

8. Залить измерительный канал пробы, для чего резким движением поднять стопор.

9. После полного затвердевания металла разобрать форму, выбить её, извлечь отлитую спираль и охлажденную пробу очистить от смеси, подсчитать жидкотекучесть залитого металла по выступам на спирали, расстояние между которыми равно 5 см.

10. Записать величину жидкотекучести в таблицу 1 опытов.

Пример условной записи жидкотекучести алюминиевого сплава АЛ4, залитого при температуре 730 °С в земляную форму: жидкотекучесть АЛ4 82,5 см (Т – 730 °С, сухая песчаная форма).

Рисунок 2 – Спиральная проба на жидкотекучесть по ГОСТ16438-70*:

а – спиральный канал; б – собранная форма

* Определение величины формозаполняемости ГОСТом не предусмотрено.

Таблица 1 – Влияние Т₁₀ на величину жидкотекучести Y

№ пробы	Состав сплава, процент добавки	Время заливки, с	Температура заливки,	Жидкотекучесть Y, см	Формозаполняемость
					абсолютная Y-l, см	Относительная F, %

Одновременно на пробах замеряются: размеры поперечного сечения спирального канала, диаметр стояка , длина стояка , расстояние от уровня зеркала металла в чаше до оси спирального канала Н.

Оборудование, инструмент и материалы

1. Индукционная печь для плавки алюминия и цинка ИСТ 006.

2. Тигли или ковши для расплавления и заливки сплава.

3. Шихтовые материалы.

4. Весы для взвешивания компонентов сплава и добавок.

5. Термопары со сменными кварцевыми наконечниками и милливольтметром для измерения температуры расплава.

6. Оснастка для получения песчаной формы пробы по ГОСТ 16438-70 (см. рис. 2).

7. Литниковые чаши и стопоры, заранее приготовленные из стержневой смеси с влажностью 5,0 – 6,5 % и высушенные. Сушка чаш и стопоров допускается любыми способами, при этом остаточная влага не должна превышать0,5 %.

8. Алюминиевые опоки размерами 350×250×75 мм по ГОСТ 15491-70 (разрешается применять опоки других размеров и конструкций без изменения высоты верхней опоки).

9. Формовочная смесь для формовки песчаной формы по сырому со следующими физико-механическими свойствами:

- газопроницаемость> 70 см⁴/г-мин (1,166 – 10^-5м⁴/кгс);

- прочность на сжатие– 0,25 – 0,45 кг/см² (0,025 – 0,045 МПа);

- влажность– 4,5 – 5,0 %;

- зерновая основа смеси– сетка № О5К-1,0 по ГОСТ3584-73;

- поверхностная твердость уплотненной смеси в сыром состоянии – 70 – 80 единиц по твердомеру.

10. Уровень. Твердомер.

11. Мерительный инструмент. Спецодежда.

12. Плакаты и фотографии различных проб для определения жидкотекучести (прутковая, спиральная, U-образная, винтовая, клиновидная, шариковая и др.).

13. ГОСТ16438-70. Формы песчаная и металлическая для получения проб жидкотекучести металлов.

Порядок проведения работы

1. Взвесить порцию шихты, загрузить ее в тигель и поставить в печь. Приготовить сплав заданного состава в соответствии с требованиями технологии плавки. Перегреть расплав приблизительно на 100 – 150 °С выше температуры ликвидуса. Пользуясь соответствующей диаграммой состояния, определить температуру ликвидуса.

2. Пока металл расплавляется, изготовить из сырой формовочной смеси 4 – 6 одинаковых комплектов спиральных проб на жидкотекучесть в соответствии с методикой, рекомендованной ГОСТ 16438-70 (см. рис. 1). Степень уплотнения смеси в опоке должна быть постоянной – 70 – 80 единиц по твердомеру. Все формы установить на плацу по уровню.

3. Вынуть из печи тигель с расплавленным металлом, засечь время и залить металл в полость чаши из форм. Через 8 – 12 с после заливки замерить температуру в чаше и заполнить измерительный канал, подняв резким движением стопор.

4. Охладить сплав в тигле на 20 – 50 °С и залить точно так же вторую пробу. Охладить сплав еще на 20 – 50 °С и залить третью пробу.

5. Охладить сплав в тигле до еще более низкой температуры, в частности, до температуры, близкой к температуре начала затвердевания (ликвидусу) и даже несколько ниже ее, и снова залить 1 – 2 пробы. Остатки жидкого металла вылить из тигля в изложницу.

6. После затвердевания металла в чаше разобрать каждую форму, замочить отливки спиралей в воде и очистить от остатков формовочной смеси.

7. Замерить общую длину спиралей λ с точностью до 0,01см с помощью выступов на спирали и линейки. Замерить абсолютную формозаполняемость Y – l, см.

8. Результаты замера температуры заливки сплава, жидкотекучести и абсолютной формозаполняемости занести в таблицу опытов.

9. Подсчитать относительную формозаполняемость F в процентах и результаты подсчета внести в таблицу опытов.

10. По данным таблицы построить точки на трех графиках: «температура заливкит – жидкотекучесть», «температура заливки – формозаполняемость», «температура заливки – время» и провести по ним соответствующие кривые.

Для исследования влияния состава литейных сплавов на жид-котекучесть и формозаполняемость студенты должны сделать следующее:

1. Взвесить вторую порцию шихты, загрузить ее в тигель и расплавить в печи. Перегреть расплав на 100 – 150 °С выше температуры ликвидуса.

2. Добавить в сплав взвешенное количество элемента или модификатора, влияние которого исследуется (например цинка, меди, кремния, марганца и др.). Рассчитать процентное содержание исследуемого элемента в сплаве.

3. Изготовить 6 – 8 одинаковых комплектов спиральных проб на жидкотекучесть.

4. Залить жидким сплавом 3 – 4 пробы, постепенно охлаждая металл в тигле. Температуру заливки можно выбрать произвольную, т.е. вне зависимости от температуры заливки в предыдущей серии опытов.

5. Замерить жидкотекучесть и формозаполняемость, и результаты опытов внести в таблицу. Подсчитать относительную формозаполняемость сплава.

6. Дополнить для сравнения ранее построенные графики кривыми, построенными для измененного состава сплава.

7. Изменить состав сплава, залить оставшиеся 3 – 4 пробы аналогичным образом и дополнить имеющиеся графики получившимися кривыми.

8. На основании графиков построить непосредственные зависимости «содержание исследуемого элемента – жидкотекучесть» и «содержание элемента – формозаполняемость» при постоянных температурах заливки. Желательно дополнить опытные данные результатами, полученными в работе предыдущих подгрупп.

9. Когда обе задачи исследования будут выполнены, необходимо сделать общие выводы о влиянии температуры заливки и состава сплава на жидкотекучесть и формозаполняемость. Показать результаты работы преподавателю. Привести в порядок рабочее место. Составить отчет о работе.