книги из ГПНТБ / Медведев Я.И. Технологические испытания формовочных материалов

До момента затвердевания металла термические деформации смесей, не вызывая напряжений в металле, влияют на окончатель­ ные размеры отливок и на появление в них различных поверх­ ностных и объемных дефектов: ужимин, засоров, земляных рако­ вин и т. п. После затвердевания отливки термические деформации, не влияя на появление указанных выше поверхностных и объемных дефектов, тормозят усадку остывающей отливки и могут привести к образованию в ней трещин.

Деформацию смесей можно условно разделить на два вида. Первый вид — это деформация стержня или формы под действием нагрева и внешней нагрузки (металлостатического напора) при условии сохранения прочной связи между отдельными зернами песка. При этом стержни или форма выступают как единый кон­ структивный элемент, деформирующийся на определенную вели­ чину в зависимости от величины термического коэффициента де­ формаций и возможных полиморфных превращений. В подавляю­ щем большинстве случаев при таком виде деформации происходит расширение.

Второй вид деформации связан с нарушением прочной связи между зернами песка и взаимным перемещением зерен относительно друг друга под воздействием внешнего давления. Нарушение связи между зернами песка возможно при размягчении (или рас­ плавлении) и сгорании связующего. В этом случае возможно до­ полнительное уплотнение смеси за счет пор, имеющихся в смеси и образующихся при выгорании добавок.

Естественно, что деформация формы не является величиной постоянной и зависит от состава и начальной пористости (степени уплотнения) смеси, температуры заливки, толщины отливки, металлостатического напора, величины усадки сплава и т. д

О количественном влиянии термических деформаций и напряже­ ний в смесях на качество отливок можно заключить из работ [46, 47], в которых установлено, что расширение смеси при заливке, например, лопастей гидротурбин, достигает 10—12%, при этом происходит соответственное уменьшение толщины стенок отливки. Термические напряжения в формовочной смеси после заливки металла в отдельных случаях могут превосходить прочность за­ твердевающей стали.

Для выяснения условий появления в отливках трещин, возни­ кающих в результате сопротивления форм и стержней, рассмотрим рис. 115, а, на котором зафиксирован момент перехода отливки в твердо-пластическое состояние. Полость формы имеет размер Л, а стержень—размер В. В результате теплового расширения стенок формы размер А уменьшится на величину 26', а размер стержня увеличится на 26". Направление деформаций указано стрелками.

Уменьшение размера А формы на 26' не препятствует усадке отливки, равной Агср (где гср — фактический коэффициент усадки отливки), так как, если 26' <ЄфЛ, то между формой и отливкой

образуется зазор; если 26' >> гфА, то форма будет сжимать отливку.

Свободное расширение стержня на 26" противоположно по направлению усадке отливки. В результате взаимодействия рас­ ширяющегося стержня и сокращающейся отливки система стер­ жень—отливка получит некоторую совместную фактическую де­ формацию, при этом стержень сожмется на величину 2бс (по сравне­ нию с тем размером, который он должен был бы иметь при свобод­

Рис. 115. Тепловое расширение форм и стержней (а)

и усадка системы отливка—стержень (б):

на be, а во втором на de. В свою очередь, стержень испытывает при­ нудительное сжатие: в первом случае на величину ab и во втором — на величину ad.

Когда в момент т вынужденное удлинение отливки

ДА = (е — еф) В превзойдет допустимое для данного состояния металла удлинение

Таким образом, условие появления усадочных трещин в отливке приближенно выражается следующим соотношением:

в свою очередь, будет зависеть от соотношения жесткостей (в на­ правлении усадки) отливки и стержня. Для случая одностороннего центрального сжатия стержня отливкой (центр давления отливки совпадает с центром сопротивления стержня) величина усадочных напряжений, возникающих в отливке и стержне, будет опреде­ ляться выражением

Установка металлических каркасов и всестороннее сжатие стержней увеличивают их жесткость и уменьшают податливость. С уменьшением отношения FomIFcm повышается относительная жесткость стержня и сокращается величина фактической усадки отливки гф, что, согласно выражению (90), повышает опасность появления трещин.

Термические напряжения в некоторых сечениях отливки вместе с усадочными усиливают опасность появления трещин. Также дей­ ствует несовпадение центров приложения усадочных сил в отливке и силы сопротивления в стержне. Термические напряжения в от­

Тепловое расширение или усадка формовочных и стержневых смесей при заливке форм металлом, как об этом уже говорилось, имеет последствия двоякого рода: 1) приводит к нарушению сплош­ ности поверхности формы и соответственно к образованию изоли­ рованных дефектов отливки (ужимин, засоров, земляных раковин

только абсолютное значение тепловой деформации в смесях, но и характер протекания ее во времени.

Схема прибора для определения деформаций при нагреве при­ ведена на рис. 116. Образец 2 устанавливают на специальную под­ ставку / из огнеупорного материала и вводят в печь 3, нагретую до заданной температуры. Деформация образца при нагреве пере­ дается через кварцевый шток 4 на индикатор 5. Между опорным концом штока и образцом находится кварцевая прокладка.

ширяется, хвостовик 6 динамометра 7 поднимается вместе с рыча­ гом 8, отклоняющим стрелку контактного индикатора 9, которая при превышении заданной величины линейного расширения об­ разца (обычно 0,01—0,02 мм) замыкает один из его контактов.

В этот момент срабатывает реле и включается электродвига­ тель 10, который через элементы И, 12, 13 системы нагружения обеспечивает приложение к образцу нагрузки, возвращающей его размер к номиналь­ ному. При уменьшении размера образца по срав­ нению с номинальным срабатывает другой кон­ такт индикатора 9, а электродвигатель пере­ ключается на обратный ход. Таким образом, в приборе обеспечивается автоматическое поддер­ жание высоты образца смеси с точностью

± 0,01 мм. Величина усилия, требующегося для предотвращения расширения смеси, фик­ сируется динамометром.

Установка позволяет получать четкие резуль­ таты при исследовании, например, напряжений, возникающих при на­ греве образцов из влаж­ ной бентонитовой смеси,

уплотненной при различном давлении прессования. Так, если смесь содержит 1% торфа и 3,9% воды, напряжения возникают только начиная с некоторой температуры, что по мнению А. М. Дубровского, связано с действием влаги. Она, во-первых, смачивая зерна, способствует их перегруппировке, сопровождае­ мой уменьшением объема, а, во-вторых, испаряясь, увеличивает пористость материала. С повышением плотности образцов термиче­ ские деформации появляются при более низких температурах нагрева, что, по-видимому, связано с уменьшением пористости материала.

Максимум термического напряжения наблюдается в интервале температур 580—650° С, а затем происходит его быстрое снижение, что объясняется выгоранием органических добавок, удалением из бентонита кристаллизационной влаги и спеканием. В чистых кварцевых песках напряжение уменьшается медленнее, чем напря­ жение в смесях, содержащих выгорающие добавки и глину.

Благотворное влияние на снижение величины термических напряжений оказывают такие выгорающие добавки, как опилки и торф. При введении в смесь 3% торфа максимальные напряжения в смеси уменьшаются примерно в 8 раз.

Прибор позволяет установить влияние некоторых распростра­ ненных добавок на термическое напряжение. Наиболее резко вели­ чину напряжений уменьшают добавки древесной муки, сульфитной барды и торфа; несколько слабее действуют древесный пек, мазут

личении ее содержания напряжения уменьшаются медленнее, чем при использовании других добавок.

С целью приближения условий проведения опытов к условиям работы стержней в залитой металлом форме образцы перед началом испытания подвергаются сжатию на величину усадки. При при­ ложении к образцу предварительного сжатия на 0,7% термическое напряжение возрастает примерно на 30%. После снижения напря­ жений до нуля продолжение нагрева образцов вызывает уменьше­ ние его длины. При остывании от 980° С до температуры модификационного превращения кварца 575° С сокращения образца не происходит, а затем усадка начинается снова.

Опытами установлено [46], что термические напряжения в сме­ сях при нагреве достигают 132 кгс/см2, а при приложении предварительного сжатия, имитирующего усадку отливки, —- 270 кгс/см2.

На приборе А. М. Дубровского можно также замерять терми­ ческое расширение смеси, как это делается на приборах типа дила­ тометра.

Дальнейшее приближение условий опытов к условиям работы формовочных смесей способствовало созданию методов, при кото­ рых деформации замеряются при одностороннем нагреве образца смеси.

Например, смесь помещают в гильзу диаметром 63 мм и высотой 254 мм и уплотняют до заданной плотности. Затем к испытуемой поверхности образца подводят никелевый стержень, нагретый до 1370° С. После выдержки в течение 15 сек образец подвергают давлению через стержень, соединенный специальным прибором, фиксирующим величину давления.

В этом случае в качестве критерия склонности смеси к деформа­ ции предлагают использовать «относительную плотность», пред­ ставляющую собой отношение действительной плотности смеси к теоретической максимальной плотности. Максимальная плот­ ность рассчитывается следующим образом. Допустим, что наиболь­ шая плотность песчаной основы равна 1,6 г/см3; смесь состоит из 90% песка (по весу), 7% глины и 3% воды. Тогда 0,9 г песка займут объем 1,6-0,9 = 1,4^ см3. При полностью уплотненной смеси глина должна расположиться в порах и объем смеси должен быть равен по-прежнему 1,44 см3. Но этому объему соответствует вес

Аналогичный метод испытаний был использован в работе [2] . Величину деформации при определенной нагрузке на образец, нагреваемый с одной стороны, авторы работы [2 ] назвали «горячей податливостью».

Несомненный интерес для литейщиков представляют методы, позволяющие замерять деформацию и напряжения непосредст­ венно в форме.

В работе [190] опоку размерами 450x350x125 мм, в которой смесь 3 (рис. 118) уплотняется встряхиванием или прессованием,

Рис. 118. Установка для измерения Деформаций образца под давлением

устанавливают на резиновую диафрагму 2, закрепленную в полой плите 1. Под диафрагму подводят воду, уровень которой фикси­ руется вертикальным сосудом 4, присоединенным к воздухопро­ воду через вентиль 6. Давление, создаваемое над поверхностью воды, фиксируется манометром 5.

Под действием внешнего давления, передаваемого водой, диа­ фрагма вдавливается в смесь. Величину деформации характери­ зуют понижением уровня воды в сосуде 4.

Влияние давления на деформацию изучали для трех случаев: 1) форма ничем не нагружена; 2) на верхней поверхности формы прочно закреплена металлическая полоса шириной 100 мм; 3) по­ верхность формы полностью закрыта плитой.

Этот метод испытаний позволяет оценивать склонность к дефор­ мации ненагреваемых слоев формы и может быть полезен для опре­ деления частоты расположения крестовин в опоках, веса груза, предотвращающего подутия и т. п.

Деформации и напряжения в стержнях можно определять на установке А. М. Дубровского [47]. Исследуемый стержень / (рис. 119) изготовляют из двух частей на жестких каркасах 7 и 8,

скрепленных тремя болтами. С одной стороны между траверсами каркаса устанавливают угольную месдозу б, а с другой — два упорных болта 2, так что половины стержня соприкасаются в трех точках. Зазор между плитами со стороны отливки заделывают фор­ мовочной смесью. Температура внутри стержня замеряется хромельалюмелевыми термопарами 3, а температура отливки — плати- но-платинородиевой термопарой. Деформация в стержне заме­ ряется двумя индикаторами 4, соединенными с нижней и верхней

поверхностями стержня кварцевыми трубками 5. Месдозы и тра­ версы охлаждаются сжатым воздухом из шланга 9. Толщины отли­

После заливки металла в стержне возникают деформации рас­ ширения, которые происходят и после затвердевания металла, вызывая пластические деформации в отливке и суммарные (уса­ дочные и термические) напряжения в смеси. После достижения ме­ таллом определенной прочности отливка преодолевает сопротивле­ ние стержня и начинает усаживаться, вызывая уменьшение разме­ ров стержня; предварительное расширение стержня составляет при толщинах отливки 15; 30 и 45 мм соответственно 0,16; 0,4 и 0,72%.

Предварительное расширение стержней в период, когда металл находится в жидком состоянии, существенно влияет на величину окончательной усадки отливки.

Различные смеси можно классифицировать по величине терми­ ческих напряжений, возникающих в форме при заливке (табл. 35).

Конструктивно по-иному выполнена установка Ю. А. Степа­ нова для определения расширения смеси в форме при заливке