РУКОВОДСТВО

к лабораторной работе «Определение величины усадки сплавов» по курсу «Теоретические основы литейного производства» для студентов всех видов обучения специальности Литейное производство черных и цветных металлов

1. Теоретическая часть

Усадкой принято называть явление уменьшения линейных размеров и объема отливок при их охлаждении от температуры заливки до комнатной. Усадка является естественным свойством металлов и сплавов, обусловленным их термическим сжатием и изменением объема при фазовых превращениях. С линейной усадкой связано образование горячих и холодных трещин, возникновение внутренних напряжений, коробление отливок. Знание величины линейной усадки сплава необходимо при изготовлении модельных комплектов.

Процесс линейной усадки начинается с момента образования в отливке достаточно прочного скелета затвердевшего металла, что для сплавов соответствует некоторой температуре начала усадки t_н.у., лежащей между ликвидусом и солидусом. У ряда сплавов усадке предшествует предусадочное расширение, связанное с увеличением объема сплава при затвердевании (например, при кристаллизации серого чугуна), интенсивным выделением газов, расширением первоначально образовавшейся переохлажденной оболочки отливки и др.

На кривых линейной усадки находят также отражение фазовые превращения в твердом состоянии, которые могут протекать как с уменьшением, так и с увеличением объема металла.

Общая величина линейной усадки сплава при охлаждении его до комнатной температуры t_ком может быть представлена формулой

ε_{св= ,} (1)

где ε_св- коэффициент свободной линейной усадки,

l_н.у.- контролируемый размер отливки в момент начала усадки (при t_н.у.),

l_отл – контролируемый размер при комнатной температуре.

Коэффициенты свободной линейной усадки для литейных сплавов обычно находятся в пределах 0,7-3%. Величина l_н.у несколько отличается от соответствующего размера модели l_мод за счет расталкивания смеси при выеме модели, а также расширение формы при заполнении ее металлом. Фактическая величина усадки может отличаться от свободной ввиду механических и термических затруднений.

В связи с трудностью определения l_н.у на практике при изготовлении модели обычно пользуются коэффициентом ε_лит, связанным с размером на модели l_мод:

ε₌ (2)

Величина ε_лит< ε_св и зависит от конфигурации отливки, степени податливости формы, условий извлечения моделей из формы и т.д. коэффициент свободной линейной усадки характеризует свойства самого линейного сплава и может быть представлен формулой

ε_св= - ε_{предус.}+∑α_сж,i∆t_i+∑ε_ф. (3)

Здесь ε_{предус.} – предусадочное расширение,

α_сж,i - средний коэффициент линейного сжатия с температурном интервале ∆t_i,

ε_ф – алгебраическая сумма относительных изменений объема при фазовых превращениях в твердом сплаве (сжатие +; расширение -).

Среднее слагаемое в формуле (3) представляет собой сумму усадок в интервале температур от t_н.у. до t_ком.. точками фазовых превращений этот интервал делится на отдельные участки ∆t_i, по которым и ведется суммирование.

При отсутствии предусадочного расширения и фазовых превращений в твердом сплаве, полагая, что α_сж мало меняется с температурой, получим

ε=α_сж(t_н.у.-t_ком.). (4)

На рис.I представлена типовая кривая линейной усадки при наличии предусадочного расширения и твердофазного перехода.

Продолжительность охлаждения τ

Рис.I. Характерная кривая линейной усадки

Линейная усадка отливки происходит по мере ее охлаждения, темп которого диктует и скорость протекания усадки. В первом приближении можно считать, что охлаждение отливки в форме подчиняется экспоненциальной зависимости, соответствующей граничным условиям третьего рода при постоянной температуре внешней среды (формы):

, (5)

Где t – средняя температура отливки в момент τ,

t_ф.н. – начальная температура формы (t_ф.н.=t_ком.).

t₀ – начальная температура охлаждения отливки.

Критерий Bi= , критерий гомохромности F₀= .

Здесь α – средний удельный коэффициент теплоотдачи от отливки к форме,

- коэффициент температуропроводности металла,

- соответственно теплопроводность, удельная теплоемкость и удельный вес отливки,

R – приведенная толщина отливки.

Преобразуя формулу (5), и ведя отсчет температур от t_ком, получим:

t=t₀ (6)

где k – коэффициент охлаждения.

С учетом (4) усадка, предстоящая отливке при охлаждении от температуры t, составит:

ε_{предст.}=α_сжt₀ ε_{0 ,} (7)

причем ε₀= ε_св. усадка, появившаяся в отливке к моменту τ, равна:

ε₌ ε_св(1-e^-kτ). (8)

2. Методика определения величины линейной усадки

А. Конструкция прибора

Литейная усадка сплавов обычно изучается на приборах, измеряющих длину залитого в форму образца. По конструктивному оформлению эти установки сильно различаются между собой. В настоящей работе используется прибор конструкции В. П. Чернобровкина.

Схема прибора показана на рис. 2. прибор состоит из стоек, опирающихся на винты для регулирования по уровню (14), соединенных корпусом, формы (10), скоб, механизма передачи и записи усадки. Две скобы: подвижная (7) и неподвижная (11) – одним концом крепятся к проушинам с помощью конических пальцев, а второй конец у них находится в форме (10) и заливается металлом. Подвижная скоба крепится к рейке механизма передачи. По средствам крючка (1) между скобами устанавливается определенное расстояние.

Рис.2. Схема установки для измерения линейной усадки сплавов.

1 – установочный крючок, 2 – зубчатая рейка, 3 – сектор, 4 – ползун, 5 – винт, 6 – малооборотный двигатель, 7 – подвижная скоба, 8 – потенциометр, 9 – термопара, 10 – форма с залитым металлом, 11 – неподвижная скоба, 12 – асбестовая прокладка, 13 – качающаяся рама, 14 – установочный винт, 15 – подставка.

Неподвижная и подвижная скоб, механизм передачи и записи усадки смонтированы на качающейся раме (13), которая свободно перемещается в горизонтальном положении. В связи с этим, тепловая деформация корпуса не влияет на показания прибора. Все изменения длины изучаемого образца с помощью подвижной скобы передаются на записывающее устройство.

Подвижная скоба зубчатой рейкой (2) соединена с шестеренной осью, на которую надет сектор (3). Радиус сектора больше радиуса оси в 30 раз. При изменении длины образца на 1 мм точка на поверхности сектора перемещается на 30 мм. такой точкой, фиксирующей размер образца на сектора, является острие карандаша, укрепленного на ползуне (4), который равномерно движется по вращающемуся моторчика (6) винту (5).

Литейная форма представляет собой металлический желоб с горизонтально расположенным дном, покрытый огнеупорной краской. Горизонтальный уровень формы фиксируется регулировочными винтами (14).

Б. Подготовка прибора к работе и проведение эксперимента.

До проведения эксперимента форма и скобы должны быть тщательно покрыты огнеупорной краской и высушены в сушильном шкафу. Просушенную форму устанавливают на корпус прибора, подложив прокладку из листового асбеста (12), и закрепляют над ней в проушины скобы с помощью пальцев. Форма должна быть установлена симметрично относительно скоб и строго горизонтально.

На холостом ходу проверяют движение сектора на оси, при этом крючок находится в нижнем положении. Убедившись, что движение сектора соответствует движению скобы, крючок поднимают вверх и устанавливают между центрами скоб определенное расстояние, замеряемое линейкой. На секторе закрепляют масштабную бумагу, а ползун устанавливают в положение, ближайшее к моторчику. Двигатель (6) подсоединяют к сети.

Для измерения температуры образца с помощью штатива укрепляется термопара (9). Горячий спай термопары (с изоляцией или без нее – по указанию руководителя практикума) устанавливается в форме посередине длины образца и на половине будущей толщины его по высоте. Термопара присоединяется к потенциометру (8) с самописцем.

Перед проведение опыта предварительно включается потенциометр с самописцем и электродвигатель прибора. Определенная порция жидкого металла из ковша заливается в форму; при этом необходимо обеспечить получение образца равномерной по длине толщины. В случае необходимости корректируется установка термопары.

После заливки металл, имеющий предусадочное расширение, давит на скобы, перемещая их. При этом рейка движется в сторону сектора, крючок падает вниз, а сектор медленно поворачивается. В случае отсутствия предусадочного расширения крючок необходимо снять принудительно. Когда расширение образца прекращается и начинается усадка, сектор поворачивается в другую сторону. Так как в это время ползун движется по винту, то на секторе записывается кривая усадки (изменение длины) образца. При достижении ползуном конца винта его переводят в первоначальное положение для продолжения записи кривой усадки.

Запись усадки ведется до температуры, задаваемой руководителем практикума. Для градуировки шкалы времени на кривой усадки и температурном графике с помощью секундомера и часов делают отметки на диаграммной бумаге в начале процесса усадки и при переводе карандаша с ползуном из одного крайнего положения в другое.

3. Обработка результатов и составление отчета

Для обработки результатов опыта используется снятые приборами диаграмма (показания прибора на усадку ∆l’ – время τ) и термограмма (температура образца t – время τ). С учетом масштаба записи на секторе рассчитываются изменение длины образца , а затем и величина усадки (или предусадочное расширение):

ε , (9)

где l – расстояние между центрами скоб.

После этого строятся графики (см., например, рис. 3 и 4)

1) усадка ε – время τ,

2) усадка ε – температура t.

По графику рис. 4 определяется величина свободной линейной усадки ε_св. В случае, когда запись усадки не была доведена до комнатной температуры, величину ε_св находят линейной экстраполяцией графика до t_ком.

Время τ, мин.

Рис. 3. Протекание усадки образца во времени

Предусадочное расширение Температура t, ⁰C

Рис. 4. Зависимость «усадка-температура»

По прямолинейному участку зависимости ε-t находят среднее значение коэффициента линейного сжатия сплава:

(10)

Затем по найденной зависимости ε-τ рассчитываются величины ε_{предст.}= ε_св- ε и строится график ε_{предст.}-τ (рис. 5.). Одновременно строится график t - τ (рис. 6.), при этом за τ=0 считается момент пересечения кривой ε-τ оси абсцисс (точка А рис. 3.), а за величину t₀ принимается температура, соответствующая этому моменту времени.

Время τ, мин

Рис. 5.Зависимость «предстоящая усадка – время»

Для аппроксимации полученных экспериментальных зависимостей с помощью формул (6) и (7) последние логарифмируются:

2,3 lg (11)

2,3 lg (12)

Время τ, мин

Рис. 6. зависимость «температура-время»

На графиках t-τ ε_предст –τ берутся на каждом 10-15 равноотстоящих по τ точек, которые проставляют в координатах рис. 7 и 8.

2,3 lg

2,3 lg

Время τ, мин Время τ, мин

Рис. 7 Рис.8

Используя метод наименьших квадратов, по данным рис. 7 и 8 находят параметр k линейных функций (11) и (12).

Ввиду приближенности зависимостей (6) и (7), а также возможных погрешностей эксперимента, коэффициенты охлаждения k, рассчитанные по термограмме и дилатограмме, могут несколько различаться.

Далее определяется средний удельный коэффициент теплоотдачи

α=с·γ·R·k. (13)

Величины с и γ принимаются для изучаемого сплава по справочным данным. Приведенная толщина R для данного образца может быть рассчитана, как отношение R= , где S – площадь поперечного сечения, П – периметр образца.

В отчете должно быть дано краткое описание методика работы, приведены все необходимые графики расчеты. По виду кривой усадки надо сделать заключение о величине свободной линейной усадки сплава, о наличии предусадочного расширения, о наличии фазовых превращений в твердом состоянии.

Литература

1. Рыжиков А.А. Теоретические основы литейного производства. М., Машгиз, 1962.

2. Курдюмов В.А., Михайлов А.М., Бауман Б.В., Козлов Л.Я. Лабораторные работы по технологии литейного производства. М., «Машиностроение», 1970.

3. Сб. «Усадочные процессы в сплавах и отливках». Под общ. ред. В.А. Ефимова. Киев, «Наукова Думка», 1970.

Вопросы для коллоквиума

1. Физическая сущность явления усадки.

2. Понятие о линейной и литейной усадки.

3. Величины свободной линейной усадки для важнейших литейных сплавов.

4. Причины, вызывающие затруднения в усадке.

5. учет линейной усадки при изготовлении моделей.

6. Кинетика линейной усадки.

7. Основные методы определения величины линейной усадки.

8. Требования техники безопасности при проведении работы по усадке.

РУКОВОДСТВО

к лабораторной работе «Определение величины усадки сплавов» по курсу «Теоретические основы литейного производства» для студентов всех видов обучения специальности Литейное производство черных и цветных металлов

Составил Владимир Арсеньевич Чечулин

Научный редактор доцент канд. техн. наук В.М. Миляев

Корректор Л.Н. Елагина

Поиск по сайту: