МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ЛАБОРАТОРНЫМ РАБОТАМ ПО ДИСЦИПЛИНЕ ТЕОРИЯ ЛИТЕЙНЫХ ПРОЦЕССОВ

-зерновая основа смеси – сетка № О5К-1,0 по ГОСТ 3584-73;

-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. ГОСТ 16438-70. 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.

41

7.Замерить общую длину спиралей λ с точностью до 0,01см с помощью выступов на спирали и линейки. Замерить абсолютную формозаполняемость λ – 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 заливки – жидкотекучесть", "температура заливки – формозаполняемость", "температура заливки – время" и провести по ним соответствующие кривые.

Для исследования влияния состава литейных сплавов на жидкотекучесть и формозаполняемость студенты должны сделать следующее:

1.Взвесить вторую порцию шихты, загрузить ее в тигель и поставить в печь. 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.

42

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

исостава сплава на жидкотекучесть и формозаполняемость. Показать результаты работы преподавателю. Привести в порядок рабочее место. Составить отчет о работе.

Содержание отчета

1.Эскизы различных проб на жидкотекучесть.

2.Таблицы опытов (см. таблицу).

3.Графики "температура заливки – жидкотекучесть", "температура заливки – формозаполняемость", "Содержание элемента – жидкотекучесть", "содержание элемента – формозаполняемость", "температура металла – время".

4.Диаграммы состояния, соответствующие заданной основе сплава и исследуемой добавке.

5.Заключение и общие выводы.

Контрольные вопросы

1.Что такое жидкотекучесть сплава?

2.Что такое формозаполняемость?

3.Какие Вы знаете пробы на жидкотекучесть?

4.Расскажите методику определения жидкотекучести.

5.От чего зависит жидкотекучесть сплава?

43

Лабораторная работа № 9 ВЛИЯНИЕ СКОРОСТИ ОХЛАЖДЕНИЯ НА СТРУКТУРУ

ОТЛИВОК

Цель работы: изучение на практике влияния скорости затвердевания на параметры структурных зон отливок, затвердевающих с различной скоростью.

Общие положения

Качество литого изделия, его механические и служебные свойства во многом определяются условиями затвердевания. При этом скорость охлаждения затвердевающей отливки является одним из основных факторов, определяющих процесс формирования макроструктуры, величину и расположение усадочных дефектов, характер распределения и величину неметаллических включений, развитие ликвации и т.д. Обычно чем выше температура заливки и меньше скорость охлаждения в период затвердевания, тем более крупнозернистая структура у отливок.

Важной характеристикой сплавов является их чувствительность к скорости охлаждения. В одной и той же отливке механические свойства и структура могут значительно отличаться. В толстых частях отливки получается крупнозернистая структура, а в тонких – мелкозернистое глобулярное строение или столбчатая структура. В чугунной отливке в тонкой ее части может появиться отбел (из-за большой скорости охлаждения), а в толстой части – крупный пластинчатый графит. В результате этого конструктивная прочность и надежность отливки могут оказаться недостаточными.

Для получения однородного строения и свойств применяют различные способы регулирования скорости затвердевания отливки в целом или отдельных ее частей. На практике это осуществляется применением внешних холодильников и теплоизоляции, подводом металла в тонкие части отливки, модифицированием и др. В последнее время для повышения однородности литых изделий все более широкое применение находят суспензионная заливка и использование металлооболочковых форм.

44

Для определения влияния скорости затвердевания на строение отливки применяют технологические пробы – отливки с переменной толщиной сечений (клиновидные, ступенчатые, цилиндрические). Различная скорость охлаждения может обеспечиваться разной приведенной толщиной образцов или применением формовочных смесей с различной величиной коэффициента аккумуляции тепла. Для того чтобы определить среднюю скорость затвердевания отливки υср.затв, необходимо знать продолжительность ее затвердевания. Продолжительность затвердевания τ определяют термометрированием или по формуле

где τ – продолжительность затвердевания, с; М – масса отливки, кг; L – удельная теплота кристаллизации металла, Дж/кг; С – удельная теплоемкость жидкого металла, Дж/(кг·К); Тж – температура металла в момент заливки. К; bф – коэффициент аккумуляции тепла формой, Вт·c1/ 2 /(м2·ºС); F – площадь охлаждения отливки, м2; Тп – температура поверхности контакта металла с формой, К.

где bм – коэффициент аккумуляции тепла металлом.

Скорость затвердевания υср.затв (мм/с) в данном случае определяют посредством деления диаметра образцов di (мм) на продолжительность их затвердевания τi ( с ) .

Структуру в изломе образцов определяют путем измерения средней величины зерна d равноосных кристаллов в центральной зоне и относительной ширины столбчатой зоны Хст/dcт, где Хст – протяженность зоны столбчатых кристаллов; dcт – средний поперечный размер столбчатых кристаллов.

Для исследования макроструктуры из отливок вырезают поперечные образцы и готовят макрошлифы.

Оборудование, приборы и материалы

Плавильная печь, металлографический микроскоп, установка для полирования шлифов, механическая ножовка, потенциометр с хро- мель-алюмелевой термопарой погружения, опоки, модельный комплект для изготовления образцов диаметром 10, 20, 30, 40 и 50 мм,

45

длиной 150 – 200 мм, формовочный и измерительный инструмент, технические весы, формовочная смесь, набор напильников и шлифовальной бумаги для приготовления шлифов, реактивы для травления, спецодежда.

Порядок проведения работы

1.Приготовить алюминиевый сплав заданного состава.

2.Изготовить форму для одновремнной заливки образцов диа-

метром 10, 20, 30, 40 и 50 мм, длиной 150 – 200 мм.

3.Залить форму при температуре, заданной преподавателем.

4.Рассчитать продолжительность и среднюю скорость затвердевания отливок.

5.После охлаждения отрезать от отливок заготовки и изготовить поперечные макрошлифы. Травление шлифов рекомендуется проводить в смеси азотной и соляной кислот (3:1) с добавлением 10 %-го раствора хлорной меди.

6.Измерить параметры структурных зон. Каждый участник заполняет таблицу, в которую заносит свои индивидуальные измерения

d′, X′ст, d′ст и общие результаты d, Xст, dст (усредненные по данным всей группы).

7. По усредненным результатам построить графики для выявления зависимости d и Xст/dст от скорости затвердевания.

9. Оценить влияние скорости охлаждения на микроструктуру отливок (протяженность структурных зон, размеры и форму отдельных кристаллов).

Содержание отчета

1.Наименование работы.

2.Цель работы.

3.Описание методики проведения эксперимента с перечнем.

4.Результаты измерения структурных зон применяемого оборудования и материалов.

5.Теоретический расчет продолжительности и скорости затвердевания отливок.

6.Таблица результатов и графики, отражающие влияние скорости охлаждения на параметры структурных зон.

7.Рисунки микроструктуры.

8.Основные выводы по работе.

9.Вопросы по технике безопасности при проведении работы.

Контрольные вопросы

1.Назовите основные структурные зоны слитка.

2.С какой целью необходимо оценивать скорость затвердевания отливки в целом или отдельных ее частей?

3.В чем выражается влияние скорости охлаждения на структуру

имеханические свойства металлов и сплавов?

4.Как влияет скорость охлаждения на характер и расположение неметаллических включений и ликвационных дефектов?

5.Каковы способы контроля качества отливок?

6.Назовите практические приемы регулирования процесса затвердевания.

7.Конструктивные и технологические особенности металлооболочковых форм.

Лабораторная работа № 10 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ

ФОРМОВОЧНОЙ И СТЕРЖНЕВОЙ СМЕСИ

Цель работы: ознакомление с методикой определения основных теплофизических свойств формовочной смеси.

47

по толщине формы, должны находиться напротив центра отливки, причем последняя термопара должна быть удалена от поверхности отливки на расстояние не более 1/4 ее высоты или ширины. Например, отливка толщиной 30 мм должна иметь высоту и ширину не менее 300 мм, а термопары в форме целесообразно разместить на расстояниях 2, 5, 10, 20, 35, 50 и 75 мм от поверхности соприкосновения формы с отливкой (рис. 2).

обязательно разобрать форму и тщательно измерить расстояние от термопар до отливки, так как при формовке возможно их смещение.

Поскольку температуру металла целесообразно измерять одной термопарой, расположенной в геометрическом центре отливки, в первом приближении можно положить θп = θкр. По рассчитанной теплопроводности определяют перепад температуры в отливке и делают поправку на изменение значений θп и qкр.

Величину θп по известным n, R и Х = Х2 (из опыта) определяют из

Метод цилиндрической отливки

Как и в случае плоского образца, измеряют температуру по сечению формы и в центре отливки.

Удельная теплоемкость материала

с2 = R· ρ1·qкр(n + 1) / {2X2 ρ2θп [1 + 1 / (n + 2)·(X2 /R)]}. (5) Здесь qкр = qпер + L + 2/3с1(θкр – θп).

Значение

λ2 = R2 (n + 2) / 4n·tз{[(n + 2)с2·ρ2] / [3(n+1)]·

[(1 + 2(n + 1) / (n + 2)·(ρ1·qкр) / (с2·ρ2θп))3/2 – 1] – (ρ1·qкр)/ θп.ср}. (6)

Величину θп определяют из уравнения ( 4 ) методом последовательных приближений

θп.ср. = (θкр + θп)/2.

Образец формы изготовляется в виде толстостенного цилиндра высотой Н, при этом должно соблюдаться условие Н/R > 10. Толщина

Значение с2 можно принять в первом приближении равным теплоемкости основного компонента смеси, а θп ≈ θкр.

Основные величины, встречающиеся при подсчете теплофизических свойств формовочной и стержневой смеси:

n – показатель степени параболы , n = S/S; R – половина толщины отливки, м;

ρ1 – плотность материала отливки, кг/м3;

qкр – удельная эффективная теплота кристаллизации, Дж/кг; X – глубина прогрева формы, м;

X2 – значение X в момент времени t3, м; Ρ2 – плотность материала формы, кг/м3;

θп – избыточная температура поверхности, θп = Тп – Т0, К; t3 – время окончания затвердевания отливки, с;

qпер – удельная теплота перегрева, qпер = с1′(Тзал – Тлик), Дж/кг; c′1 – удельная теплоемкость расплава, Дж/кг·К;

Tзал – температура заливки, К;

Tлик – температура ликвидуса, К;

L – удельная теплота кристаллизации металла, Дж/кг; с1 – удельная теплоемкость материала отливки, Дж/кг·К;

θкр – избыточная температура кристаллизации, К, θкр = Ткр – Т0. Тп – температура поверхности формы, К; Т0 – начальная температура формы, К.

50