Лабораторная работа 4

Цель работы: ознакомиться с двумя важными способами формообразования металлов, сплавов и других конструкционных материалов.

3.1 ЛИТЬЕ

Теоретические предпосылки

Литейным производством называется технологический процесс изготовления заготовок (отливок) путем заливки жидкого материала в специально приготовленные формы. Форма заполняется материалом через систему каналов, называемую литниковой системой. При этом наружные очертания отливки определяются полостью формы, а внутренние образуются фасонными вставками, называемыми стержнями.

После затвердевания отливки, ее извлекают из формы, освобождают от литниковой системы, очищают и направляют на механическую обработку. В ряде случаев отливки из металлов предварительно проходят термическую обработку. Преимущества формования литьем – это, прежде всего то, что при литье самые сложные по конфигурации детали могут быть получены в одну операцию, кроме того, при литье обычно меньше расход металла, чем, например, при формообразовании резанием.

Литейные формы изготовляются из различных материалов и, в зависимости от свойств последних, могут использоваться только один раз или многократно. Формы, используемые для получения одной отливки, называются разовыми (эти формы разрушаются при извлечении из них отливки). Формы, используемые для получения сотен и тысяч отливок, называются постоянными (это часто металлические формы, литье в металлические формы называют литье в кокиль). Некоторое применение находят полупостоянные формы, изготавливаемые из высокоогнеупорных материалов и используемые несколько десятков раз.

Разовые формы изготавливаются из песчано-глинистых, песчано-смоляных и песчано-керамических смесей. Такие формы могут выполняться объемными (большой толщины) или оболочковыми (небольшой толщины). Как правило, формы из песчано-глинистых смесей делаются объемными, а из песчано-смоляных и песчано-керамических – оболочковыми. Литье в песчано-глинистые формы широко используется при литье черных металлов и часто называется литье в землю. Многоразовые формы всегда состоят из двух полуформ, соединяемых друг с другом специальным крепежом.

В литейном производстве используется целый ряд специфических терминов:

- модель – оснастка, предназначенная для получения полостей в форме, соответствующих наружной конфигурации отливки;

- стержень – специальное приспособление для создания полостей в отливаемой детали;

- выпор – специальные каналы в форме, предназначенные для удаления газов из основной полости формы;

- прибыль – специальное уширение в рабочей полости формы, предназначенное для питания рабочей полости формы металлом;

- литниковая система – система каналов в форме, через которую в основную полость формы подается металл, в литниковую систему входят: литниковая чаша, литниковый стояк, шлакоуловители, питатели;

- опока (верхняя, нижняя) – специальная рама, использующаяся при литье в землю. Опока является своеобразным остовом полуформы, предохраняющим ее от разрушения при сборке, транспортировке и заливке.

- центрующие штыри – специальные стержни для центровки двух полуформ относительно друг друга при их сбарке.

Ход работы

С процессом литья студенты знакомятся на примере получения отливок из свинцово-сурьмяного сплава, широко использующегося при изготовлении свинцовых аккумуляторов. Сурьма в такой сплав вводится в количестве 2-3%, она повышает механическую прочность сплава. Такой сплав плавится при температуре 300 ^оС, поэтому формы могут быть изготовлены из самых разнообразных материалов, включая дерево и пластмассы, графит (на практике, в частности, при отливке решеток аккумуляторов обычно применяют металлические формы). В лабораторном практикуме используется форма, изготовленная из графита, температура термической стойкости которого в присутствии кислорода воздуха равна 417 ^оС.

Работа выполняется в следующей последовательности.

1. Рассмотреть обе полуформы, использующиеся при отливке изделия.

2. Вложить в полуформы дополнительные детали или стержни.

3. Собрать форму и зафиксировать ее болтами.

4. Расплавить в муфельной печи или на электрической плитке в алюминиевой чашке необходимую порцию сплава свинец-сурьма (Внимание! Чашку из печи или с плитки брать только щипцами, при необходимости можно использовать защитные перчатки).

5. Залить расплавленный сплав в форму.

6. Сделать выдержку для кристаллизации металла в форме и ее охлаждения.

7. Разобрать форму и вынуть из нее отливку.

8. Рассмотреть отливку и описать все дефекты, имеющиеся на ней.

9. Высказать предположения о причинах дефектов. Если дефектов слишком много, или они большие, повторить операцию литья еще раз, используя ту же самую порцию сплава.

10. Виды дефектов и предполагаемые причины их заносятся в табл. 3.1.

Таблица 3.1

Результаты опытов по отливке изделий

№ опыта	Вид дефекта	Причина дефекта	Способ устранения
1 2	1. 2. … 1. …

3.2. ПАЙКА МЕТАЛЛОВ

Теоретические предпосылки

Пайка является одним из способов получения неразъемных соединений наряду со сваркой и склеиванием. По своей сути пайка очень сходна со сваркой. Она основана на том, что металлы в расплавленном состоянии способны образовывать между собой сплавы, смачивать поверхность металлических изделий и прилипать к ним. При пайке в зазор между нагретыми соединяемыми деталями вводится расплавленный присадочный металл, называемый припоем. Припой, смачивая поверхность деталей, соединяет их после охлаждения и затвердевания. Основной металл и припой, взаимно растворяясь друг в друге, обеспечивают высокую прочность соединения, одинаковую (при качественном выполнении пайки) с прочностью металла припоя. Широкое применение пайки в машиностроении и приборостроении объясняется отсутствием плавления и незначительным нагревом основного металла, что сохраняет его физические и механические свойства. При пайке не возникает внутренних напряжений в соединениях, поэтому отсутствует коробление деталей, обычное при сварке. Поверхность соединения получается достаточно чистой и не требует в большинстве случаев последующей обработки.

Виды припоев. Различают два основных вида пайки: пайка твердыми припоями на основе серебра, меди и цинка (с температурой плавления 550-1100^оС) и пайка мягкими припоями на основе сплавов олова и свинца (с температурой плавления до 400^оС). Твердые припои обладают значительной механической прочностью (до 50 кГ/мм²), а мягкие имеют невысокий предел прочности (5-7 кГ/м²). Химический состав припоя определяет область его применения (табл. 3.2).

Таблица 3.2

Состав и назначение некоторых припоев

Группа припоя	Марка	Основные компоненты	Соединяемые материалы
Твердые медно-цинковые	ПМЦ-42 ПМЦ-52	42% меди, 55,4% цинка 52% меди, 45,4 цинка	Латунь, бронза. Латунь, бронза, медь, сталь
Твердые серебряные	ПСр-25 ПСр-45 Пср-65	25% серебра, 40% меди, 33,5% цинка. 45% серебра, 30% меди, 24,2 цинка. 65% серебра, 20% меди, 14,25 цинка	Латунь Медь, бронза Ленточные пилы
Мягкие оловянно-свинцовые	ПОС-90 ПОС-40 ПОС-30 ПОС-18	90% олова, 10% свинца 40% олова, 57,8% свинца. 30% олова, 68,5 свинца. 18% олова, 79,7 свинца	Хозяйственная посуда. Радиаторы, электро- и радиоаппаратура. Цинк, сталь, латунь. Свинец, цинк, сталь, латунь

Припои обычно применяют в виде прутков, проволоки, дроби, лент. Для хорошего смачивания поверхности основного металла необходимо, чтобы она была очищена от жировых и оксидных загрязнений. Толстые пленки ржавчины или окалины удаляются обычно механически. Для удаления тонких пленок оксидов и других примесей с поверхности металла применяют флюсы, которые одновременно препятствуют образованию оксидов при нагреве в процессе пайки. Без флюсов пайка часто просто невыполнима. Основой флюсов при пайке твердыми припоями является бура, для усиления действия которой в флюс добавляется борная кислота.

При пайке мягкими припоями в качестве флюса применяют раствор хлористого цинка (пайка стали, меди, алюминия), канифоль (для пайки меди и ее сплавов), стеарин (для пайки свинца и его сплавов). Хлористый цинк для пайки обычно получают растворением цинка в соляной кислоте, полученный раствор часто называют паяльной кислотой.

Пайке предшествуют подготовительные работы, обеспечивающие тщательную подготовку и очистку поверхности соединяемых деталей. Подготовительные работы имеют большое значение, так как зачастую определяют надежность соединения. Поверхность в местах пайки тщательно механически обрабатывается наждачными кругами, наждачной бумагой, напильником, при пайке проводников они обычно зачищаются с помощью ножа. При необходимости соединяемые поверхности могут быть обезжирены, протравлены кислотой, промыты и высушены.

Технология пайки и применяемое оборудование зависят от вида припоя. В случаях, когда изделие, полученное при помощи пайки, предназначено для работы при больших нагрузках и в области высоких температур, применяют пайку твердыми припоями. При такой пайке детали нагреваются газовыми горелками, паяльной лампой или в электрических печах, иногда нагрев осуществляется методом погружения в расплавленный припой или в соляную ванну. При этом поверхность изделий, которая не должна покрываться припоем, предварительно обмазывается специальными пастами из мела, глины, графита и т.д.

Нагрев при мягкой пайке может производиться паяльниками, газовыми горелками, электрическими плитками, в ваннах с расплавленным припоем. Наконечник паяльника обычно изготовляется из меди, перед пайкой его необходимо механически обработать и пролудить, что облегчает удержание припоя на паяльнике. Соединяемые части деталей предварительно также лучше пролудить, т.е. нанести на них с помощью флюса тонкий слой припоя. Далее детали прижимаются друг к другу или располагаются друг возле друга с небольшим зазором не более 0,1 мм, на соединяемые поверхности наносится флюс и припой. Соединяемые поверхности прогреваются паяльником до плавления припоя и заполнения им зазора. Далее нагрев прекращается, и прижатые детали без смещения друг относительно друга охлаждаются до кристаллизации припоя.

Ход работы

С процессом пайки студенты знакомятся на примере припаивания к медным проводникам штекеров, клемм, крокодилов, электродов для различных работ лабораторных практикумов. В работе используются мягкие припои и флюс в виде канифоли или раствора хлористого цинка (паяльная кислота). Каждый студент получает задание по применению пайки для соединения конкретных деталей.

Работа проводится в следующей последовательности.

1. Паяльник включить в сеть и дать время для его прогрева (при необходимости паяльник очистить от оксидов и пролудить, т.е нанести на поверхность наконечника паяльника слой припоя).

2. Соединяемые части деталей тщательно зачистить механически с помощью ножа, наждачной бумаги, напильника или наждачного круга.

3. Пролудить с помощью паяльника соединяемые поверхности первого вида деталей, используя в качестве флюса канифоль.

4. Наложить соединяемые поверхности друг на друга, или расположить их рядом друг с другом с небольшим зазором.

4. Нанести на соединяемые поверхности канифоль и припой.

5. Прогреть паяльником соединяемые поверхности до плавления припоя (при соединении массивных деталей для предварительного нагрева использовать электрическую плитку).

6. Аккуратно распределить припой по всей поверхности соединения.

7. Прекратить нагрев, дать остыть деталям и закристаллизоваться припою (в период охлаждения детали нельзя смещать их друг относительно друга).

8. Проверить качество пайки и показать ее результаты преподавателю, при неудовлетворительном качестве пайки повторить операции 3-10.

9. Провести пайку второго вида деталей, используя в качестве флюса раствор хлористого цинка, повторив при этом операции 3-10.

10. Результаты работы по пайке деталей занести в табл. 3.3.

Таблица 3.3

Экспериментальные данные по соединению деталей пайкой

Номер опыта	Вид флюса	Вид и материал соединяемых деталей	Дефекты пайки	Причины дефектов
1
2