Определение величины объеной усадки сплава

Цель работы: Определение величины объемной усадки и пористости сплавов в зависимости от их положения на диаграмме состояния. Работу целесообразно вести с использованием двух-трех сплавов системы алюминий - кремний или алюминий - медь.

1.ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Плотность большей части металлов и сплавов при охлаждении возрастает, соответственно уменьшается удельный объем - величина, обратная плотности. В связи с этим наблюдается непрерывное уменьшение объема расплава, залитого в литейную форму, постепенно затвердевающей отливки и твердой отливки при изменении температуры от температуры заливки до нормальной. Если принять, что охлаждение заданной массы расплава в литейной форме происходит только по боковой и донной поверхностям, то изменение объема будет сопровождаться понижением уровня расплава в форме. Уровень расплава после образования твердой корки на поверхности будущей отливки до момента полной кристаллизации может понижаться только в глубинных слоях, где еще не началось затвердевание. Изменение объема в этот период проявляется в образовании концентрированных усадочных раковин и усадочных пор. Изменение объема, происходящее при охлаждении затвердевшей отливки, проявляется в уменьшении ее линейных размеров. Таким образом, общая объемная усадка металла складывается из усадки в жидком состоянии, усадки в процессе кристаллизации и усадки в твердом состоянии.

Количество раковин и пор (усадка в процессе кристаллизации) в отливках зависит от характера кристаллизации сплава, прежде всего интервала кристаллизации, и условий затвердевания.

Рисунок 1 – Схема затвердевания сплава, не имеющего интервала кристаллизации: а – диаграмма состояния; б – диаграммы распределения температуры по сеченню отливки; в – отливка в процессе охлаждения

Рассмотрим затвердевание отливки из сплава К, кристаллизующегося при постоянной температуре (рис. 1). Примем, что заполнение формы закончено до кристаллизации сплава в каком-либо месте отливки и что после заполнения добавочного количества сплава в форму не поступает, а охлаждение идетравномерно со всех сторон, кроме верха. Примем также, что объемная усадка в жидком и твердом состояниях пропорциональна температуре и что при кристаллизации объем сплава уменьшается.

В соответствии с распределением температуры по сечению отливки сплав будет затвердевать и его объем будет изменяться В момент окончания заливки (кривая I) форма полностью заполнена жидким сплавом 1. Охлаждение сплава до температуры, распределение которой характеризуется кривой II, сопровождается уменьшением объема расплава, которое проявляется в понижении его уровня в форме. С этого момента начинается кристаллизация сплава. При достижении температуры, распределение которой характеризуется кривой III, на поверхности отливки образуется твердый слой 3, а в центральной части сохраняется расплав. Уменьшение объема при переходе сплава и; жидкого в твердое состояние обусловливает понижение уровня расплава. В отливке образуется усадочная раковина 2,размеры которой увеличиваются по мере охлаждения до полного затвердевания. При достижении распределения температуры, показанного кривой IV, отливка будет иметь окончательные размеры. Объемная усадка в твердом состоянии проявится в уменьшение линейных размеров отливки про
порционально величине линейной усадки сплава.

Рисунок 2 – Схема затвердевания сплава с интервалом кристаллизации:

а – диаграмма состояния; б – диаграммы распределения температуры по сечению отливки; в – отливка в процессе охлаждения

Следовательно, если сплав не имеет интервала кристаллизации, отливка при любых условиях охлаждения затвердевает послойно путем постепенного нарастания твердого слоя. Поэтому объемная усадка при кристаллизации проявляется в виде сосредоточенной усадочной раковины.

Затвердевание отливки из сплава, имеющего интервал кристаллизации, отличается от затвердевания отливки из сплава, кристаллизующегося при постоянной температуре.

Рассмотрим затвердевание отливки из сплава М (рис. 2) при условиях заливки и охлаждения, которые были приняты для сплава К, кристаллизующегося при постоянной температуре (см. рис. 2). В момент окончания заливки (кривая I) форма полностью заполнена жидким сплавом 1. Охлаждение расплава до температуры, распределение которой соответствует кривой II, приводит к объемной усадке расплава, проявляющейся в понижении уровня расплава в форме. С этого момента начинается кристаллизация сплава. При достижении распределения температуры, соответствующего кривой III, в отливке образуется двухфазная область 2. По мере образования и роста кристаллов в этой области понижается уровень расплава в отливке, образуется усадочная раковина 3, глубина которой увеличивается вплоть до достижения температуры, распределение которой соответствует кривой IV. В интервале между кривыми III и IV на поверхности отливки растет твердый слой сплава, а в центральной части сохраняется расплав, который питает двухфазную область. При достижении температуры, распределение которой соответствует кривой IV, двухфазная область доходит до центра отливки, а на поверхности отливки образуется слой твердого сплава 4. При этом растет глубина усадочной раковины. Дальнейшее охлаждение отливки до нормальной температуры (кривая V) приводит к исчезновению двухфазной области, некоторому увеличению объема усадочной раковины,

образованию усадочной пористости и сокращению размеров отливки.

Рисунок 3 – Влияние состава сплава на усадку в процессе кристаллизации:

1 – линия начала линейной усадки; 2 – кривая изменения объемной усадки сплавов при кристаллизации; 3 – изменение объема усадочной пористости сплава; 4 – изменение объема усадочной раковины сплава

Можно отметить, что если сплав имеет интервал кристаллизации, в затвердевающей отливке появляется двухфазная область. Пока в средней части отливки имеется жидкий сплав, объемная усадка при кристаллизации проявляется в образовании усадочной раковины. Когда же жидкость исчезает и двухфазная область распространяется на всю центральную часть отливки, усадочная раковина перестает углубляться и начинается образование пористости (рыхлоты) в срединной части отливки. Пористость образуется, во-первых, в результате оттока расплава на восполнение усадки (на питание) затвердевающих периферийных слоев двухфазной области, во-вторых, вследствие усадки при кристаллизации расплава между ветвями дендритов в самой двухфазной области.

Объем усадочной пористости в отливке определяется размерами двухфазной области на конечной стадии затвердевания, количеством имеющегося там расплава и величиной объемной усадки. Следовательно, в общем случае объем усадочной пористости в отливке должен зависеть от величины интервала кристаллизации сплава, распределения температуры по сечению отливки, скорости кристаллизации сплава (интенсивности нарастания твердой фазы в пределах интервала кристаллизации), величины объемной усадки сплава.

Если проследить за проявлением объемной усадки в процессе кристаллизации одной и той же отливки, получаемой в одинаковых условиях из разных сплавов системы с простой эвтектикой, то выявляется зависимость, представленная на рис. 3. В отливках из чистых металлов и сплавов эвтектического состава объемная усадка при кристаллизации выражается только в виде сосредоточенной усадочной раковины. В отливках из всех других сплавов, обладающих интервалом кристаллизации, имеются усадочная раковина и усадочная пористость. Наибольший объем усадочной пористости обнаруживается в отливках из сплавов, расположенных между чистыми металлами и эвтектическим составом.

На характер зависимости, представленной на рис. 3, существенно влияют условия охлаждения. Увеличение интенсивности охлаждения отливки в ходе затвердевания вызывает сокращение двухфазной области, в результате чего объем пористой области сокращается, объем усадочной пористости уменьшается, а объем усадочной раковины увеличивается. Уменьшение интенсивности охлаждения отливки вызывает обратные изменения: объем усадочной пористости возрастает, а усадочной раковины уменьшается. В случае достаточно малой интенсивности охлаждения двухфазная область распространяется на все сечения отливки, и поэтому усадочная раковина вообще не образуется, а объемная усадка проявляется только в виде рассеянной по всему объему отливки усадочной пористости.

Подобное встречается и в отливках из широкоинтервальных сплавов, получаемых в формах из материалов с малой теплопоглощающей способностью: в отливках из сплавов на основе алюминия с интервалом кристаллизации более 80°С и отливках из оловянных бронз с 5–10% олова, получаемых в песчаных формах.

Экспериментальное определение объемной усадки сплавов производится на специальных отливках-образцах простейшей формы (шар, куб, конус, цилиндр). Объемную усадку вычисляют по следующей формуле:

где — объем формы, см³;

— объем образца, см³.

Поскольку условия получения образцов выдерживаются постоянными, получаемые значения объемной усадки можно считать характеристикой сплава и определять, например, закономерности объемной усадки сплава в связи с его положением на диаграмме состояния.

В настоящей работе определение объемной усадки сплавов проводится на образцах в форме куба, цилиндра, конуса или шара. Куб отливают в песчаной форме, шар и цилиндр – в кокилях. Модель куба для удобства формовки имеет формовочные уклоны и, по существу, представляет собой усеченную пирамиду.

В песчаную форму металл заливают через стояк и тонкий питатель, который после заполнения полости формы быстро затвердевает, предотвращая тем самым поступление металла из стояка в полость формы, по мере усадки расплава. Часто для прекращения поступления расплава в форму питатель перекрывают металлической пластиной (рис. 4, а). Заливку шара ведут через низкий стояк, объем которого равен ≈1% объема шара (рис. 4, б).

Конусный образец получают заливкой разъемной оболочковой формы, в которую устанавливают холодильники и песчаные стержни для создания направленного охлаждения с целью выведения открытой усадочной раковины на верхнюю поверхность (рис. 4, в).

Поскольку усадка при кристаллизации проявляется в виде усадочных раковин неправильной формы и усадочной пористости, определить объем твердого образца путем геометрических измерений не представляется возможным. Поэтому этот объем находят делением массы образца на плотность сплава.

Для определения плотности небольшую порцию исследуемого сплава заливают в металлическую изложницу для получения слитка размером 10×10×60 мм. Быстрое охлаждение сплава в изложнице позволяет получить нижнюю часть слитка плотной, без усадочных пор. От нижней части слитка отрезают образец высотой 10 мм; обрабатывают его поверхность наждачной бумагой. Взвешивая образец на воздухе и в жидкости, определяют плотность сплава;

где – плотность жидкости, г/см³;

т_в – масса образца на воздухе, г;

т_ж – масса образца в жидкости, г;

т_в, т_ж – масса вытесненной жидкости, г.

Рисунок 4 – Формы для получения проб на объемную усадку:

а – кубическая; 1 – стояк; 2 – стальная пластина; 3 – формовочная смесь; 4 – асбест; 5 – полость формы; 6 – опока; 7 – подопочная плита; 8 – холодильник; б – шаровая; в – конусная: 1, 4 – песчаные стержни; 2 – холодильник; 3 – кольцевой холодильник

Для удобства взвешивания образец подвешивают на капроновой нити, масса и объем которой не вносят большой погрешности в результаты определения плотности сплава. По найденному значению плотности сплава и массе образца (куба, шара, цилиндра) находят объем сплава в этом образце:

Исходный объем полости формы при отливке куба вычисляют по размерам модели (усеченной пирамиды):

где Н – высота модели, см;

– площади оснований пирамиды, см².

При отливке шара объем полости формы определяют по формуле:

где R – радиус шара, см.

Объем открытых усадочных раковин определяют путем их заполнения жидкостью из мерных сосудов.

Для определения пористости образец взвешивают в воде. Предварительно его поверхность покрывают тонким слоем парафина для предотвращения попадания влаги в поры. По разности масс образца на воздухе и в воде определяют его объем. Разность объемов образца и сплава в нем и есть объем пор.

2.ОБОРУДОВАНИЕ, ИНСТРУМЕНТ И МАТЕРИАЛЫ

Плавильная печь, хромель-алюмелевая термопара, гальванометр, модели образцов для определения объемной усадки, металлические формы для получения отливок шара или цилиндра, аналитические и технические весы, штангенциркуль, графитошамотовые тигли, плавильный и формовочный инструмент, шихтовые материалы, хлорид марганца, спецодежда, защитные очки.

3.ПОРЯДОК ПРОВЕДЕНИЯ РАБОТЫ

1. Рассчитать шихту для приготовления сплавов. Состав сплавов задается преподавателем.

2. Загрузить шихту в тигель и расплавить ее. Нагреть расплав до 750°С и обработать его хлоридом марганца (0,1–0,15 %).

3. Подготовить литейные формы для определения объемной усадки. Установить их на место заливки.

4. Залить формы металлом. Перегрев сплавов над температурой ликвидуса должен составлять 100^оС.

5. Охладить отливки, извлечь их из форм, очистить от формовочной смеси, отделить литники.

6. Из нижней части слитка сечением 10×10мм вырезать образец высотой 10 мм. Обработать поверхность образца шлифовальной шкуркой.

7. Определить плотность сплава. Для этого образец подвесить на капроновой нити и определить его массу на воздухе и в воде с точностью до четвертого знака.

8. Произвести необходимые измерения модели и полости формы, вычислить объем полости формы . Взвесить образцы (куб, шар, цилиндр). Определить объем сплавов в образцах