Министерство образования и науки Республики Казахстан Карагандинский государственный технический университет                                                                                      Утверждаю                                                                            Первый проректор              ___________А.З. Исагулов                                                                            «___»_____________2009 г.                 Учебно-методический комплекс дисциплины преподавателя            по дисциплине EL 3210 «Теория формирования отливки»   для студентов специальности 050709 – «Металлургия»   Факультет Машиностроительный   Кафедра МЛП и КМ                     2009

Предисловие Учебно-методический комплекс дисциплины преподавателя разработан: к.т.н., доцентом Кипнисом Л.С., старшим преподавателем Медведевой И.Е., к.т.н., доцентом Куликовым В.Ю.   Обсужден на заседании кафедры  МЛП и КМ   Протокол № _______ от «____»______________200___ г. Зав. кафедрой ________________         «____»____________200___ г. (подпись)       Одобрен методическим бюро факультета МФ   Протокол № ________ от «_____»_____________200___ г. Председатель ________________        «____»____________ 200___ г.

1 Рабочая учебная программа

 

1.1 Сведения о преподавателе и контактная информация

Кипнис Лев Семенович – к.т.н., доцент

Медведева Ирина Евгеньевна – старший преподаватель

Куликов Виталий Юрьевич – к.т.н., доцент

Кафедра МЛП и КМ находится в главном корпусе КарГТУ (адрес), аудитория 313, контактный телефон 56-59-35 (доп. 1024)

 

1.2 Трудоемкость дисциплины

Семестр	Количество кредитов	Вид занятий					Количество часов СРС	Общее количество часов	Форма контроля
		количество контактных часов			количество часов СРСП	всего часов
		лекции	практические занятия	лабораторные занятия
6	3	30	15	—	45	90	45	135	Экзамен

 

1.3 Характеристика дисциплины

Дисциплина «Теория формирования отливки» входит в цикл базовых дисциплин. Дисциплина предназначена для изучения процессов формирования отливок и путей управления ими, выбора и расчета технологических параметров, обеспечивающих получение отливок заданного качества, физических процессов, происходящих в  металлах при их течении, охлаждении  и кристаллизации.

 

1.4 Цель дисциплины

Дисциплина «Теория формирования отливки» ставит целью изучение бакалаврами  основных закономерностей формирования металлических изделий и полуфабрикатов из жидкого состояния сплава (фасонные отливки, непрерывные и полунепрерывные тела регулярной формы)

 

1.5 Задачи дисциплины

Задачи дисциплины следующие: дать будущим специалистам знания о физических процессах, происходящих в жидких и твердых металлах.

В результате изучения данной дисциплины студенты должны:

иметь представление:

– об основных закономерностях формирования металлических изделий из расплавленных металлов и сплавов;

знать:

– сущность процессов, протекающих в отливке и форме в ходе затвердевания и охлаждения металла;

уметь:

– анализировать количественные зависимости параметров процесса формирования литых изделий и показатели их качества;

приобрести практические навыки:

          –в определении  параметров процесса формирования отливки.

 

1.6 Пререквизиты

Для изучения данной дисциплины необходимо усвоение следующих дисциплин (с указанием разделов, тем):

 

 

1.7 Постреквизиты

Знания, полученные при изучении дисциплины «Теория формирования отливки», используются при освоении следующих дисциплин: «Технология литейного производства», «Оборудование литейных цехов», «САПР литейных машин и технологий», при написании  выпускной работы.

 

1.8 Содержание дисциплины

 

1.8.1 Содержание дисциплины по видам занятий и их трудоемкость

 

 

1.9 Список основной литературы

1. Баландин  Г.  Ф.  Теория формирования отливки. – М.: МГТУ  им. Баумана, 1998.
2. Баландин  Г.  Ф.  Основы  теории формирования отливки. Формирование макроскопического строения  отливки. – М.: Машиностроение, 1979.
3. Козлов Л. Я., Вдовин К. Н., Тен Э. Б. и др. Производство стальных отливок. – М.: МИСИС, 2003.
4. Васильев В. А. Физико-химические основы литейного производства. – М.: Интернет Инжиниринг, 2001.
5. Гуляев Б. Б.  Теория литейных процессов.  – Л.: Машиностроение, 1976.
6. Специальные способы литья Под  ред. В. А. Ефимова. – М.: Машиностроение, 1991.
7. Ветишка  А. Теоретические основы литейной технологии. – Киев: Вища  школа, 1981.
8. Константинов Л. С., Трухов А. П. Напряжения, деформации и трещины в отливках. – М.: Машиностроение, 1981.
9. Куманин И. Б. Вопросы теории литейных процессов. – М.:   Машиностроение, 1976.

10. Галдин Н. М.  Литниковые системы и прибыли для фасонных отливок. – М.: Машиностроение, 1992.

1.  Кипнис Л.С., Медведева И.Е. Основы теория формирования металлических систем, изд. Караганда КарГТУ,  2006

 

1.10 Список дополнительной литературы

1.  Пржибыл Й. Теория  литейных процессов. – М.:   Мир, 1967.
2.  Рабинович Б. В. Введение в литейную гидравлику. – М.: Машиностроение, 1966.
3.  Вейник А. И. Расчет отливки. – М.: Машиностроение, 1964.
4.  Леви Л. И., Кантеник С. М. Литейные сплавы. – М.:  Машиностроение, 1969.
5. Батышев А. И. Кристаллизация металлов и сплавов при затвердевании под давлением. – М.: Металлургия, 1990.
6.  Медведев Я. И. Газовые процессы в литейной форме. – М.: Машиностроение, 1980.
7.  Френкель Я. И. Введение в теорию металлов. – Л.: Наука, 1972.
8.  Василевский П. Ф. Технология стального литья. – М.: Машиностроение, 1974.
9.  Цветное литье. Под  ред. Н. М. Галдина. – М.: Машиностроение, 1989.

20. Гуляев А.П. Металловедение – М.: Машиностроение, 1995.

21. Курдюмов А.В. и др. Лабораторные работы по технологии литейного производства. – М.: Машиностроение, 1976.

 

1.11 Критерии оценки знаний студентов

Экзаменационная оценка по дисциплине определяется как сумма максимальных показателей успеваемости по рубежным контролям (до 60%) и итоговой аттестации (экзамену) (до 40%) и составляет значение до 100% в соответствии с таблицей.

 

 

Рубежный контроль проводится на 7-й и 14-й неделях обучения и складывается исходя из следующих видов контроля:

1.12 Политика и процедуры

При изучении дисциплины «Теория формирования отливки» прошу соблюдать следующие правила:

1. Не опаздывать на занятия.

2. Не пропускать занятия без уважительной причины.

3. В обязанности студента входит посещение всех видов занятий.

4. Согласно календарному графику учебного процесса сдавать все виды контроля.

5. Пропущенные практические  занятия отрабатывать в указанное преподавателем время.

6. Отключать сотовые телефоны во время занятий, соблюдать тишину и порядок.

7. Активно участвовать в учебном процессе.

8. Быть терпимыми, открытыми, откровенными и доброжелательными к сокурсникам и преподавателям.

 

1.13 Учебно-методическая обеспеченность дисциплины

Ф.И.О. автора	Наименование учебно-методичес-кой литературы	Издательство, год издания	Количество экземпляров
			в библиотеке	на кафедре
Основная литература
Баландин  Г.Ф.	Теория формирования отливки	М.: МГТУ им. Баумана,1998	15	—
Баландин Г.Ф.	Основы теории формирования отливки.	М.: Машиностроение,1979	25	—
Козлов Л.Я., Вдовин К.Н., Тен Э.Б. и др.	Производство стальных отливок	М.:МИСИС, 2003	2	—
Васильев В.А.	Физико — химические основы литейного производства	М.: Интернет Инжиниринг, 2001	2	—
Гуляев Б.Б.	Теория литейных процессов	Л.: Машиностроение, 1976	25	2
Под ред. Ефимова В.А.	Специальные способы литья	М.: Машиностроение, 1981	25	2
Ветишка А.	Теоретические основы литейной технологии	Киев: Вища школа, 1981
Константинов Л.С., Трухов А.П.	Напряжения, деформации и трещины в отливках	М.: Машиностроение, 1981	2	—
Куманин И.Б.	Вопросы теории литейных процессов	М.: Машиностроение, 1976	2	—
Галдин Н.М.	Литниковые системы и прибыли для фасонных отливок	М.: Машиностроение, 1992	10	2
Кипнис Л.С., Медведева И.Е.	Основы теории формирования металлических систем	Изд. Караганда КарГТУ, 2006	10	90
Дополнительная литература
Пржибыл Й.	Теория литейных процессов	М.: Мир, 1967	1	1
Рабинович Б.В.	Введение в литейную гидравлику	М.: Машиностроение, 1966	10	—
Вейник А.И.	Расчет отливки	М.: Машиностроение,1964	10	2
Леви Л.И., Кантеник С.М.	Литейные сплавы	М.:Машиностроение, 1969	25	4
Батышев А.И.	Кристаллизация металлов и сплавов при затвердевании под давлением	М.: Металлургия, 1990	2	—
Медведев Я.И.	Газовые процессы в литейной форме	М.Машиностроение, 1980	4	—
Френкель Я.И.	Введение в теорию металлов	Л.: Наука, 1972	4	—
Василевский П.Ф.	Технология стального литья	М.Машиностроение, 1989	25	4
Под. Ред. Н.М. Галдина	Цветное литье	М.: Машиностроение, 1989	25	2
Гуляев А.П.	Металловедение	М.: Машиностроение, 1995	25	10

 

2 График выполнения и сдачи заданий по дисциплине

Вид контроля	Цель и содержание задания	Рекомендуемая литература	Продолжитель-ность выполнения	Форма контроля	Срок сдачи
1	2	3	4	5	6
Выполнение практической работы № 1	Изучение факторов, влияющих на жидкотекучесть сплавов. Методы определения жидкотекучести	[5], [21],[11]	2 недели	Текущий	2 неделя
Выполнение практической работы № 2	Изучение факторов, определяющих заполняемость                  литейных форм	[5],  [21] ,[11]	2 недели	Текущий	4 неделя
Выполнение практической работы № 3	Изучение закономерностей затвердения отливок в форме и  методов их исследования.	[5],  [21], [11]	2 недели	Текущий	6 неделя
Отчет по СРС (Тема № 1)	Углубить знания по темам.	[1], [2], [3], [4], [5], [6]	7 недель	Текущий	7-ая неделя
Письменный опрос № 1	Закрепление теоретических знаний и практических навыков	[4], [5],[12], [17], [11] конспект лекций	1 контактный час	Рубежный	7 неделя
Выполнение практической работы № 4	Изучение влияния свойств сплава, других факторов на объем и    характер усадочных раковин	[5],  [21], [11]	3 недели	Текущий	9 неделя
Выполнение практической работы № 5	Изучение закономерности образования объемных усадочных  дефектов в отливках, факторы, влияющие на характер их распределения в отливке	[5],  [21], [11]	3 недели	Текущий	12 неделя
Выполнение практической работы № 6	Исследовать влияние влияния технологических факторов на величину   остаточных напряжений в отливках.	[5],  [21], [11]	2 недели	Текущий	14 неделя
Отчет по СРС (Тема № 1)	Углубить знания по темам.	[1], [2], [3], [8], [9], [11]	7 недель	Текущий	14-ая неделя
Письменный опрос № 2	Закрепление теоретических знаний и практических навыков	[1], [5], [8] ,[9] конспект лекций	1 контактный час	Рубежный	14 неделя
Экзамен	Проверка усвоения материала дисциплины	Весь перечень основной и дополнительной литературы	2 контактных часа	Итоговый	В период сессии

 

3 Конспект лекций

Тема 1 Предмет и задачи курса. Гидравлические процессы (4 часа)

 

План лекции

1. Свойства расплавов металлов

2. Процесс заполнения формы металлом. Расчет времени заполнения формы.

3. Течение расплава в полости формы тонкостенных отливок. Заполняемость формы.

4. Проектный расчет литниковой системы.

5. Движение неметаллических частиц в потоке сплава и их задержание.

 

1 Свойства расплавов металлов

Основными физическими характеристиками расплавов металлов являются вязкость и поверхностное натяжение. Вязкость расплавов играет большую роль в формировании отливки,  поскольку она существенно влияет на  заполнение формы и воспроизведение ее конфигурации, всплывание газовых пузырей и примесей, конвективный массоперенос и перемещение металла при его затвердевании. Вязкость расплавов металлов при постоянной температуре и установившемся течении постоянна.

Различают динамическую η и кинематическую ν вязкость

;                 ν =.                                                        (1.1)

Здесь  ρ – плотность  жидкости.

Кинематическая вязкость  расплавов металлов при температурах заливки в форму близка по величине к вязкости воды, это используется для моделирования при экспериментальном исследовании литниковых систем [12].

Смачивание обусловливает явление капиллярного давления, величина которого определяется соотношением [4]:

 P_кап = ,                                                             (1.2)  

Капиллярное давление в зависимости от того, смачивает или не смачивает жидкость стенки капилляра, совпадает с гидростатическим давлением либо противоположно ему:

=ρh+,                                              (1.3)

здесь      h  -­ гидростатический напор, r — радиус капилляра, θ  — краевой угол смачивания,  σ – поверхностное натяжение.

        При получении мелких отливок сложной конфигурации желательно, чтобы стенки формы хорошо смачивались металлом, в этом случае капиллярное давление  повышает  четкость воспроизведения расплавом мелких деталей рельефа формы. Напротив, при получении крупных отливок  желательно, чтобы расплав  не смачивал материал формы, это уменьшит возможность его проникновения в поры стенок формы [4].

Расплавы металлов не смачивают основные окислы, кислые смачиваются ими  несколько лучше. Так, угол смачивания на воздухе малоуглеродистой сталью составляет  для магнезита — 165°, для глинозема — 140°, для кварца — 110° [4].

 

1.2 Процесс заполнения формы металлом. Расчет времени заполнения формы

В производстве для заполнения форм металлом применяются:

свободная, или гравитационная, заливка  из ковша или непосредственно из плавильной печи (тигля); принудительное заполнение под действием газового или поршневого давления, центробежной или электромагнитной сил.

Процесс свободной заливки может быть представлен в виде взаимосвязанных  во времени стадий: истечение металла из ковша, его течение через каналы литниковой системы и движение в полости формы.

Ковши  по способу опорожнения делятся на  стопорные и поворотные. В первых  металл  выдается через отверстие  в днище,  во вторых — через носок при  повороте вокруг горизонтальной оси.

Скорость истечения струи металла через  выпускное отверстие стопорного или  сливной носок поворотного ковша  определяется уравнением  [5]:

                                             ,                                                                ( 1.4)

где Н ­ — гидростатический напор; g – ускорение свободного падения, φ – коэффициент скорости, учитывающий потери напора в отверстии, φ =0,97.

Расход q, то есть объем металла, вытекающего из ковша в единицу времени, определяется как

                                 q=  f·  =f··φ  =   f·μ.                                 (1.5)

 

Здесь f — площадь сливного отверстия или носка ковша; μ = ·φ  – коэффициент расхода;  — коэффициент сжатия струи. Для ковшей  μ = 0, 6 ÷ 0,65.

При истечении металла из стопорного ковша по мере его опорожнения гидростатический напор монотонно уменьшается, соответственно этому уменьшаются скорость истечения и расход. Если  требуется постоянство расхода, в начальной стадии разливки ковша прибегают к неполному открытию сливного отверстия,  так называемому торможению, а по мере его опорожнения отверстие открывают полностью. При заливке из поворотного ковша регулирование расхода осуществляется путем управления скоростью поворота ковша.

Как известно, по месту ввода металла в полость формы различают верхние, нижние и боковые литниковые системы [5, 10].

Определим время заполнения формы металлом через литниковую систему заданных размеров.

Исходные данные и допущения:

1. Время заполнения самой литниковой системы пренебрежимо мало и в расчете не учитывается.

2. Температура металла за время заливки формы не меняется, поэтому его вязкость и, соответственно, коэффициент  расхода литниковой системы постоянны.

3. Геометрический напор за время заливки поддерживается  постоянным  ()

4. F_н, F_в,    площадь сечения и высота нижней и верхней части формы;

5. ƒ — площадь узкого сечения  литниковой системы.

 Время заполнения полости формы расплавом определим как сумму отрезков времени заполнения её нижней τ₁ и  верхней τ₂ частей:

Заполнение полости формы  до уровня  места подвода питателя происходит при постоянной скорости и расходе  (q₁ =const).

                                                  q₁ =                                                   (1.6)

= =                                             (1.7)

Заполнение  части полости формы, лежащей  выше питателя,  происходит с расходом, меняющимся по мере подъема уровня металла

 

(1.8)

где    h  —  высота уровня металла форме над местом подвода питателя.

Запишем в дифференциальной форме:

(1.9)

отсюда:

интегрируя левую часть от    и правую от  , получим:

(1.10)

Общая продолжительность заполнения  формы:

                                                             (1.11)

здесь, ξ_i — коэффициенты местных сопротивлений литников.

1.3 Течение  расплава  в  полости формы тонкостенных отливок.

При заливке форм тонкостенных отливок жидкий металл, заполняющий полость формы, постоянно находится в контакте со  стенками, при этом головная часть потока по мере продвижения  все время встречается с ее холодными участками, отдавая тепло стенкам формы. Способность металла течь и воспроизводить очертания формы носит название жидкотекучесть [1, 5].

Мерой жидкотекучести является длина Л канала в форме, который  может быть заполнен расплавом при определенных условиях заливки.  Ее величина может быть представлена как произведение средней скорости вытекания расплава из литника в измерительный канал  на время, в течение которого расплав сохраняет способность течь [1, 5]:

,                                                  (1.12)

где H – гидростатический напор.

Гуляевым Б. Б. [5] предложена полуэмпирическая формула для оценки условий заполнения формы расплавом, которые называют заполняемостью.

Время течения расплава представляется как:

,                                                        (1.13)

где  R  — радиус канала (или толщина стенки отливки);

        t— перегрев расплава над температурой ликвидус;

       A, B — коэффициенты,   постоянные  для данного сплава  и свойств формы.

Отсюда:

.                                                  (1.14)

Преобразуя формулу  (1.14)  делением правой и левой частей на R,   получим безразмерный критерий заполняемости формы

 

                                         .                                               (1.15)

Видно, что заполняемость формы  прямо пропорциональна толщине стенок отливки, температуре заливаемого расплава, гидростатическому напору, обратно пропорциональна сложности конфигурации (Σξ) формы. Она также зависит от ее теплофизических свойств (коэффициент В). Чем выше теплоемкость и теплопроводность материала формы, тем быстрее она охлаждает  жидкий металл и, следовательно, тем хуже ее заполняемость. Если для сравнения принять заполняемость сухой песчано-глинистой формы за единицу, то для форм  из других материалов она составит: песчано-глинистая смесь  сырая – 0,94; смесь с добавкой древесных опилок – 1,2; металлическая форма – 0,­7 [5].  Предварительный подогрев формы увеличивает заполняемость, тем  больше, чем выше  температура её нагрева.

 

1.4 Проектный расчет литниковой системы

 

При конструировании литниковой системы в качестве исходных данных используются масса заливаемого в форму металла, его свойства, геометрические и теплофизические параметры отливки и формы, по которым  выбирается тип и конструкция системы. По указанным  данным и требуемому времени заливки рассчитывают площадь наиболее узкого сечения литниковой системы, то есть решают задачу, обратную рассмотренной в п. 1.2.

Преобразовав формулы (1.7, 1.10) или (1.11), получим:

(1.16)

Линейная скорость течения  металла на выходе  из питателей  может быть найдена,  исходя из конфигурации и протяженности литниковой системы, по соотношению (1.12).

В настоящее время  не  существует аналитического способа  определения требуемого времени заливки формы. Наиболее часто для этого используют эмпирические зависимости, выведенные статистическим  анализом производственного опыта и экспериментов, которые в общем случае имеют  вид:

_зал= A.                                                                 (1.17)

 

Здесь  A, ­ m,  n   —     ­постоянные коэффициенты, значения которых  выбираются в зависимости от  сплава, сложности конфигурации отливки и других факторов; — ­средняя толщина стенок отливки;  G — масса отливки.

 

1.5 Движение неметаллических частиц в потоке сплава и их задержание

 

Неметаллические частицы в отливках по размерам делят на макроскопические – размером  более  0,5 мм  и микроскопические –  0,001 – 0,5 мм.

В зависимости от источников  образования включений их  называют   эндогенными  и экзогенными.  Как правило,  макроскопические включения экзогенны,  они  представляют собой частицы шлака, разрушенной футеровки печи или ковша,  формовочной или стержневой смеси,  краски,  др.

Плотность сплавов и неметаллических частиц, в основном,   существенно различается. В сплавах  на основе железа и меди флюсы и окислы компонентов   имеют плотность меньшую, чем расплав, поэтому их частицы могут в нем всплывать,  в сплавах на основе алюминия и магния эти частицы  оседают.

Для частиц  размером более 1мм скорость  W  всплывания  или оседания  в неподвижном или спокойно движущемся расплаве  определяется  [15]:

                                         ,                                            ( 1.18)

 

где  — ­коэффициент вязкости сплава,  —  ­плотность расплава и частицы;  r  — радиус частицы.

В горизонтальном потоке  вертикальная скорость  частицы составит

_верт= W –_гор ,                                                          (1.19)

где   _гор  — скорость горизонтального течения,  0,2  — ­поправочный коэффициент на турбулентность потока.

Условие задержания всплывающей частицы в прямом шлакоуловителе (непопадания  в питатель) выражается в виде соотношения  < ,

подставим                                                                       (1.20)

 

h_пит,   L_пит   —  соответственно,  высота питателя и расстояние до него от стояка, τ_верт  ,     τ _гор  —   время всплывания частицы  на высоту питателя и ее движения до него по горизонтали  от стояка.

Тогда  условие   (1.20) примет вид:

                        или       .                                      (1.21)

Таким образом, для того, чтобы обеспечить рассмотренным  способом эффективное задержание неметаллических включений, между h_пит и  L _пит необходимо выдерживать определенное соотношение, зависящее от линейной скорости течения металла в литнике. Для отливок средней массы из черных сплавов скорость горизонтального течения составляет около 0,4 м/с. Отсюда следует, что требуемая величина указанного соотношения составляет L_пит  > 20 h_пит  [5].

Рассматриваемый способ задержания неметаллических включений  наиболее прост. В тех случаях, когда он не дает необходимого эффекта, применяются специальные способы, одним из которых является установка в литниковой системе специальных фильтровальных элементов в виде сеток из металла, стеклоткани или пенокерамических материалов.

Рекомендуемая литература

1. [1] (с. 27-29)

2. [3] (с. 76-79)

3. [4] (с. 125-128)

4. [5] (с. 37- 42)

5. [13] (с. 135-148)

 

Контрольные задания для СРС (тема 1) [3, 4, 5]

1. Основные физические характеристики расплавов металлов.

2. Способы заполнения форм металлом.

3. Типы ковшей,  применяемых при заливке форм.

4. Типы литниковых систем.

5. Неметаллические включения в отливках.

Тема 2

Охлаждение и затвердевание металла в отливке (6 часов)

План лекции:

1. Теплообмен отливки и формы.

2. Расчет охлаждения отливки при малой интенсивности теплообмена.

3. Анализ процессов затвердевания отливок. Последовательное и объемное затвердевание.

4. Кинетика затвердевания (расчет затвердевания полупространства).

5. Расчет продолжительности затвердевания отливки с учетом ее размеров и конфигурации.

 2.1 Теплообмен отливки и формы

 

Основным фактором, обусловливающим закономерности процесса затвердевания и, следовательно, формирования свойств отливки, является теплообмен между отливкой и формой [1, 5, 14].

С момента поступления первых порций металла в форму начинается его охлаждение и нагрев формы. В процессе получения отливки теплообмен ее с формой идет, главным образом, посредством теплопередачи (соприкосновения) и лучеиспускания, в отдельных случаях конвекцией.

Основные уравнения теплообмена соприкосновением [1, 2].

1) Уравнение теплопередачи на поверхности тела (уравнение Ньютона):

                                         q=                                                               (2.1)

где: q – ­удельный тепловой поток ; ­ —  коэффициент теплоотдачи, определяется свойствами  теплоотдающей или тепловоспринимающей среды (вт/м² град);T_п    — температура   поверхности тела; T_с  — температура  среды;

(T_п  —  T_с) – перепад температур между телом и средой.

2) Уравнение,  описывающее передачу тепла внутри  тела (уравнение теплопроводности Фурье); для одномерного теплового потока:

q =  — λ dt /dx,                                                            (2.2)

где λ — коэффициент теплопроводности   (вт /м град); dt/dx  -градиент температур в точке измерения теплового потока.

Из условия  равенства удельных тепловых потоков внутри тела и на его поверхности вытекает  понятие интенсивности теплообмена  тела и среды [1, 5]:

-.                                                  (2.3)

Для тела с характерным размером X  можно допустить, что  dx/dt = t_ц  — t_п / X ,  тогда

или                                (2.4)

критерий Био — безразмерный параметр, равный отношению температурных напоров внутри тела и на его поверхности (либо отношению термических сопротивлений тела и среды).

В зависимости от свойств тел и среды интенсивность теплообмена меняется  в широких пределах (0 <Bi< ∞). Типичные случаи  интенсивности теплообмена: а) малая — Bi <<1 (Bi<0,2); б) большая – Bi>>1 (Bi>5); в) средняя – Bi1   (Bi =  0,25) [1].

Тела, охлаждающиеся с малой интенсивностью, условно называют «тонкими»  (перепад температур внутри тела намного меньше перепада температур между поверхностью тела и средой). Для «тонких» тел перепадом температур внутри тела можно пренебречь ().

Тела, охлаждающиеся с большой интенсивностью (Bi >>1), называют «толстыми» Х>>. Для них можно принять условие:  T_п

Исходные данные и допущения (граничные условия):

с, ρ   —  теплоемкость и плотность материала тела; F, V — боковая поверхность и объем выделенной части тела; α – коэффициент теплоотдачи среды; τ – время охлаждения; t = t₀  —  t_с — средняя температура тела; t_c­  — температура среды.

Примем α = const; t_c­ = const.

Обозначим θ = t₀ — t_c    (избыточная температура тела).

Пусть за время dτ  температура тела изменилась на dθ,  тогда

dQ_внутр = — сρ Vdθ   — изменение  теплосодержания выделенного участка тела при изменении  его температуры на dθ;

dQ _внешн =  ­ — количество тепла,  переданного телом в среду. Уравнение теплового баланса для выделенной части тела dQ_внутр = dQ _{внешн ,} 

или:           α Fθdτ = — сρ Vdθ ;                                          

Интегрируем температуру  от θ₀  до   θ,  время от 0 до  .

После потенцирования получим:

­.                                                         (2.6)

Уравнение (2.7) описывает закон изменения температуры тела во времени; запишем его в виде

­                                                                  (2.7)

где — коэффициент скорости охлаждения, показывающий крутизну наклона кривых изменения температуры во времени.    

Коэффициент k зависит от свойств среды (коэффициента теплоотдачи α) и свойств материала тела (ρ, c). Скорость охлаждения зависит также от геометрического параметра, который называется приведенный размер (R _пр) , он определяет влияние размеров и конфигурации тела на скорость охлаждения и  численно равен отношению объема тела к поверхности теплообмена. Чем больше абсолютные размеры отливки и чем более она компактна, тем медленнее она охлаждается.

Для плиты приведенный размер равен половине толщины (),

для цилиндра – половине радиуса (), для шара – 1/3 радиуса .

Данный расчет применяется  для определения температуры отливки или ее части при известной  начальной температуре через заданный промежуток времени и для  определения времени  охлаждения отливки до заданной температуры. Отливки сложной конфигурации разбивают на простые тела. Точное решение задач охлаждения тел сложной конфигурации возможно с применением численных методов  на   ЭВМ.

Подбирая для различных частей формы материалы с различной теплоаккумулирующей способностью, можно увеличивать или уменьшать скорость охлаждения.

 

2.3 Анализ процессов затвердевания отливок. Последовательное  и объемное затвердевание

 

Как известно, подавляющее большинство металлических изделий, изготовленных по традиционной технологии, представляют собой поликристаллические тела. Применительно к металлам понятия затвердевание и кристаллизация являются синонимами. Эти термины используют раздельно для  удобства описания  процесса изменения агрегатного состояния с количественной и качественной сторон [1, 2, 5].

Понятие  «затвердевание»  используют для описания  перехода металла из жидкого состояния в твердое во времени с количественной стороны, без учета формирования кристаллической структуры,  при этом протекание процесса  рассматривается в  отливке в целом или ее частях. Теория затвердевания отливки построена на основе физических и математических моделей распространения тепла в отливке и форме.

Для характеристики процесса формирования кристаллического строения при переходе  материала изделия   из жидкого состояния в твердое   используют  понятие «кристаллизация». При этом  имеется   в виду процесс, протекающий в микрообъемах с определенными температурными  и другими условиями.

Экспериментальные исследования  процесса  затвердевания    осуществляются двумя основными методами:  выливанием не затвердевшего (жидкого)  остатка расплава и термографированием [1, 2, 5].

Первый метод, предложенный  еще в конце XIX века, заключается в выливании через определенные промежутки времени  не затвердевшей части металла  и измерении толщины слоя, затвердевшего на стенках формы.  В настоящее время метод  применяется, главным образом, в учебном процессе.  Термографирование  широко используется в  теплофизических исследованиях  различных технологических процессов, аппаратов и конструкций. Для изучения процессов затвердевания отливок  в полости литейной формы  на разном расстоянии от ее поверхности устанавливают несколько термопар и строят по показаниям  каждой из них графики изменения температуры сплава во времени. По полученным  кривым охлаждения в различных местах  отливки строят графики распределения температуры в исследуемом сечении для выбранных моментов времени; они  позволяют анализировать процесс затвердевания отливок из сплавов различного состава при разных скоростях охлаждения.

Металловеды таким способом определяют  параметры кристаллизации металлов и сплавов,  по  которым строят диаграммы состояния.  Заметим, что в зависимости от состава  сплавов изменение их агрегатного состояния  происходит по-разному: чистые металлы и сплавы эвтектического  состава кристаллизуются   при постоянной температуре,  остальные – в интервале температур [20].

2.3.1 Процесс затвердевания  отливок из сплавов, кристаллизующихся при постоянной температуре.

Малая  скорость охлаждения  (Bi << 1). Разность температур  жидкого металла в отливке  очень невелика, поскольку она выравнивается конвекцией. Твердая корка образуется только тогда, когда из приграничного слоя отводится теплота кристаллизации. В корке возникает перепад температур,  температура ее поверхности  падает,  по мере отвода тепла в форму толщина слоя затвердевшего металла последовательно растет. При наличии  в расплаве нерастворимых примесей  в центральной части в расплаве могут  возникать  кристаллы.

Большая скорость охлаждения (Bi>> 1).  Вследствие быстрого охлаждения  в расплаве возникает перепад температур по сечению отливки, который  сохраняется до окончания затвердевания. Поэтому рост затвердевшего слоя возможен только от периферии к центру до полного затвердевания отливки.

Несмотря на различия в интенсивности теплообмена, процесс затвердевания идет от периферии к центру за счет послойного наращивания твердой фазы. При этом всегда существует четкая граница между затвердевшим и не затвердевшим металлом.  Такое затвердевание   называют ­ последовательным.

 

2.3.2 Процесс затвердевания отливок из сплавов, кристаллизующихся в интервале температур.

Как отмечалось  выше,  технические сплавы, за  исключением чистых металлов и эвтектик, кристаллизуются в  интервале температур (ликвидус –солидус), в нём металл находится в двухфазном, твердо-жидком состоянии.  В общем случае  в затвердевающей отливке  имеются три области: затвердевшего металла (температура равна или ниже точки солидус);  твердо-жидкого (в интервале ликвидус-солидус); жидкого (температура равна или  выше ликвидуса).  Границами областей служат поверхности, на которых  фиксируются температуры ликвидус и солидус.

В области затвердевания выделяют [1, 5] три характерные зоны:

— макроскопических перемещений (жидко-твердую), в которой  кристаллы свободно плавают в жидкости и при выливании жидкого остатка удаляются с ней;

— локальных перемещений жидкого металла, который может перемещаться между кристаллами, растущими от стенок формы;

-микроскопических перемещений — жидкость, разобщенная растущими кристаллами на  малые изолированные объемы, перемещается только в них.

Переходная зона твердо — жидкого состояния существует в течение всего процесса затвердевания. Количество и размеры частиц твердой фазы в ней обратно пропорционально изменению температуры металла по ее ширине. Относительная ширина зоны прямо пропорциональна величине интервала кристаллизации и обратно пропорциональна перепаду температур по сечению отливки.

Из рассмотренных  схем следует, что в общем случае затвердевание отливки имеет объемно – последовательный характер, поскольку происходит  в условиях охлаждения средней интенсивности (объемная или оболочковая песчаная форма), и  практически все литейные сплавы  кристаллизуются в некотором интервале температур. В зависимости от относительной ширины двухфазной зоны  затвердевание отливки может быть ближе к последовательному или к объемному механизму.

Поскольку в двухфазной зоне  происходит, в основном, формирование макроскопического строения металла отливки и образование дефектов в ней,  δ_твж  является важной характеристикой процесса затвердевания отливки. Она  зависит от  отношения интервала температур кристаллизации к перепаду температур по сечению отливки к концу ее затвердевания  (ΔT_крист / ΔT_тв), то есть определяется составом сплава и интенсивностью теплообмена [5].

2.4 Расчеты затвердевания отливки

Расчеты затвердевания отливки с учетом реально протекающих процессов достаточно сложны и громоздки. Рассмотрим решение задачи о затвердевании в простейшей постановке. Исходные данные для расчета:

1) поверхность отливки плоская;

2) температура расплава равна температуре кристаллизации сплава;

3) сплав затвердевает при постоянной температуре (затвердевание последовательное);

4)  — соответственно плотность, теплоемкость, теплопроводность, скрытая теплота кристаллизации сплава.

5)   — коэффициент теплоаккумулирующей способности формы.

Допущения:

а) температура расплава  на наружной поверхности тела после образования затвердевшей корки снижается до некоторой постоянной величины, определяемой коэффициентом теплоотдачи формы;

б) теплофизические свойства металла отливки в течение всего периода затвердевания постоянны;

в) распределение температуры в затвердевшей корке  линейно:   ;

г) теплопередачей в  не  затвердевшем металле пренебрегаем.

Составляем уравнение теплового баланса.

При затвердевании  за время d слоя толщиной dx  и площадью F изменение теплосодержания тела равно количеству тепла, перешедшему за то же время в форму:

                                           dQ_крист+dQ_тверд = dQ_форм                                                                       (2.8)

Здесь:       dQ_крист = LρdxF — количество тепла, выделившегося при затвердевании слоя   dx;                                                            

dQ_тв=  — количество тепла, выделяющееся из  слоя dx при снижении его температуры  с T_жидк    до  T_к ;

dQ_форм =  — количество тепла, отведенное в форму через слой x за время d.

Обозначим .       Тогда,                                             (2.9)

где К_з — коэффициент затвердевания.

Уравнение (2.10)  получило название  «закон квадратного корня» [5]. Оно не является точным решением задачи затвердевания, так как в нем не учитываются  многие факторы, оказывающие влияние на скорость затвердевания, в том числе теплота перегрева расплава при заливке и особенности процесса при объемном затвердевании. Однако с достаточной для инженерной практики точностью его можно использовать при расчетах параметров технологических  процессов  получения отливок.

Из закона квадратного корня (2.10) можно получить выражения для расчета продолжительности затвердевания отливки либо ее частей заданных  размеров и конфигурации:

( 2.10)

Поскольку интенсивность отвода тепла от затвердевшего слоя  отливки  подчиняется тем же закономерностям, что и охлаждение твердых тел (см. п. 2.2) ,  для тел произвольной конфигурации  выражение   (2.12)  принимает вид:

( 2.11)

Здесь     R_пр  — приведенный размер отливки или ее элемента.

При затвердевании цилиндра и шара более чем  на ²/₃ толщины оно ускоряется, так как в конечной фазе затвердевания масса жидкого металла и его теплосодержание  убывают быстрее, чем в плите.

Основные факторы, влияющие на скорость и время затвердевания:

а) ­ коэффициент теплоаккумулирующей способности материала формы;

б) свойства материала отливки;

в)  температура заливки расплава в форму;

г) приведенный размер отливки_.

Рекомендуемая литература

1. [1] (с. 77-92)

2. [2] (с. 39 — 46)

3. [5] (с. 67- 86)

4. [14] (с. 29- 52)

Контрольные задания для СРС (тема 2) [2, 5, 14]

1. Закономерности процесса затвердевания отливки.

2. Последовательное и объемное затвердевание.

3. Процесс затвердевания  отливок из сплавов, кристаллизующихся при постоянной температуре.

4. Кинетика процесса затвердевания.

5. Расчет продолжительности затвердевания отливки с  учетом  ее размеров и конфигурации

 

Тема 3 Формирование кристаллического строения отливки  (6 часов).

         План лекции:

1. Основные закономерности процесса кристаллизации.

2. Способы управления процессом кристаллизации.

3. Введение в расплав микрохолодильников.

4. Литье с кристаллизацией при направленном теплоотводе.

5. Литье при сверхбыстром охлаждении расплава.

6. Ликвация в литых изделиях.

 

3.1 Основные закономерности процесса кристаллизации

 

Как отмечалось в п. 2.3, под кристаллизацией понимается  процесс формирования кристаллического строения металла при  его переходе из жидкого или газообразного состояния  в твердое. В металловедении  его называют первичной кристаллизацией, в отличие от структурных превращений, происходящих при термической обработке, называемых вторичной кристаллизацией.

Основной единицей структуры первичной кристаллизации металла является кристаллит, или зерно, характеризуемое единой системой ориентации атомно-кристаллической решетки и  границами, отделяющими его от соседних зерен.

Как следует из термодинамической теории кристаллизации,  для  перехода  из жидкого состояния в твердое необходимо  некоторое переохлаждение расплава [5].  При прочих равных условиях переохлаждение тем больше, чем выше скорость охлаждения расплава.

Температура в центре небольших масс кристаллизующегося металла при наличии переохлаждения опускается ниже точки равновесной кристаллизации, это соответствует началу кристаллизации. Теплота кристаллизации нагревает переохлажденный расплав до равновесной температуры, после этого процесс приостанавливается, температура в течение некоторого времени сохраняется постоянной, близкой к температуре кристаллизации. При  достаточно большой скорости охлаждения в определенных условиях возможна объемная кристаллизация, когда весь металл кристаллизуется с переохлаждением. При очень большой величине  переохлаждения диффузионная подвижность атомов уменьшается настолько, что становится недостаточной  для образования зародышей кристаллов,  кристаллизация  может быть полностью подавлена.

В реальных условиях при кристаллизации достаточно большой массы расплава переохлаждение  в отливке наблюдается в узкой области, перед фронтом кристаллизации, при этом его величина составляет 0,1- 0,01⁰С. В этом случае может происходить только последовательная кристаллизация. Она начинается от поверхности отливки и постепенно распространяется до ее оси. Единственным способом отведения теплоты кристаллизации от растущих кристаллов является ее перенос через ранее затвердевший слой к поверхности отливки, а от нее в форму и окружающую среду.

В общем случае, при средней скорости охлаждения металла, объемная кристаллизация из переохлажденного состояния и последовательная кристаллизация отливки представляет собой две фазы единого процесса.

Формирование  кристаллической структуры происходит в результате образования центров кристаллизации (зародышей) и последующего их роста. С увеличением степени переохлаждения расплава скорость образования зародышей  и линейная скорость роста кристаллов возрастают.

Чем больше скорость образования зародышей и меньше скорость их роста, тем меньше размеры кристалла, выросшего из одного зародыша, тем более мелкозернистой получается структура  металла  отливки.

Зависимость величины зерна     S  от числа зародышей V_з (или скорости  их  образования)  и скорости роста кристаллов V_р имеет вид:

 

S = ( V_р  /  V_з)^3/4 .                                                                 ( 3.2)

 

При малых скоростях охлаждения  (переохлаждение невелико) число зародышей мало, в результате получается крупное зерно. С увеличением скорости  охлаждения (степень переохлаждения  растет)  скорость образования зародышей растет быстрее, чем скорость роста кристаллов, вследствие чего  структура затвердевшего металла получается более мелкозернистой.

При рассмотрении кристаллической структуры  отливки на макроскопическом уровне в целом можно выделить три характерных зоны: корковая, зона столбчатых или ориентированных кристаллов, зона крупных неориентированных кристаллов.  Корковая зона состоит из мелких кристалликов,  по конфигурации близких к равноосным,  их оси   первого порядка, как правило, располагаются произвольно, что является  следствием  шероховатости  поверхности формы. Столбчатые кристаллы вытянуты,  их оси первого порядка четко направлены перпендикулярно к поверхности отливки. Зона неориентированных кристаллов занимает  среднюю часть отливки и состоит из крупных кристаллов с беспорядочным направлением осей первого порядка.

Различие размеров и конфигурации кристаллитов является следствием изменения переохлаждения и условий отвода тепла по мере продвижения фронта кристаллизации к оси сечения отливки. По мере его приближения к центру величина  переохлаждения уменьшается, что ведет к  уменьшению числа центров кристаллизации и, вследствие этого, к укрупнению зерен.  Если заливка производится при  температуре начала кристаллизации, зона столбчатых кристаллов может не образоваться. При увеличении скорости охлаждения ширина зоны столбчатых кристаллов возрастает. В случае заливки при  больших перегревах  и большой скорости охлаждения столбчатые кристаллы достигают оси отливки. Прекращение  роста столбчатых кристаллов и возникновение  равноосных  кристаллов связаны с величиной температурного градиента в жидкой части отливки на границе затвердевания. В случае заливки при низких температурах и малой скорости охлаждения столбчатые кристаллы не образуются (см. п. 2.3). При заливке с перегревом и большой скорости охлаждения градиент  настолько велик, что его минимум, необходимый для прекращения роста столбчатых кристаллов, не достигается вплоть до окончания затвердевания отливки (транскристаллизация).

Таким образом, факторами, влияющими на макроструктуру литого металла, являются:

—         скорость охлаждения при затвердевании;

—          состав и свойства сплава (интервал температур кристаллизации);

—         величина перегрева расплава металла при плавке,  продолжительность выдержки при температуре выше ликвидуса, температура  заливки в форму;

—         наличие в расплаве  примесей,  служащих  центрами кристаллизации.

 

3.2 Способы управления процессом кристаллизации

 

От размеров и формы кристаллитов весьма сильно зависят  механические свойства и  другие эксплуатационные  характеристики металла в изделиях.  Известно также, что влияние это сказывается по-разному  в зависимости от характера нагрузки  и температуры службы изделия, что обусловлено природой и свойствами  границ  зерен, прежде всего тем, что на границах концентрируются  дефекты кристаллических решеток и легкоплавкие примеси.

Из курса металловедения известно, что минимум прочности для металлов и сплавов имеет место при условиях, характерных для традиционной технологии,  практически реализуемая прочность намного ниже, чем теоретически возможная. Из этого следуют два принципиальных направления повышения прочностных свойств изделий. Первое заключается в  увеличении количества дефектов кристаллического строения за счет получения более мелких зерен (ковка, прокатка).  Вторым  направлением  предполагается получение изделий с возможно меньшим числом дефектов кристаллической решетки путем укрупнения зерна  и приближения к бездефектному, правильному кристаллическому строению (монокристаллы). Это  технически реализуется недавно [1].

Кристаллическую структуру многих сплавов в литом состоянии с целью улучшения  их свойств  можно изменять  термической обработкой, однако во многих случаях  она технологически невозможна. Поэтому первостепенное значение для улучшения свойств литых изделий имеет разработка  способов  управления процессом  первичной кристаллизации с целью  воздействия на размеры, форму и ориентацию кристаллитов.

В настоящее время для этой цели в металлургии и литейном производстве  применяется достаточно много технологических приемов. По физической сущности их можно разделить на механические, физико-химические, теплофизические. В зависимости от требований, предъявляемых к изделиям, эти технологии позволяют  получать:

—           фасонные отливки и слитки с равноосной мелкозернистой  структурой;

—         литые изделия с ориентированной столбчатой и монокристаллической структурой;

—           полуфабрикаты и изделия с аморфной или аморфно-кристаллической  структурой.

Для подавляющего большинства литых деталей наиболее приемлемой, как известно,  является мелкокристаллическая равноосная макроструктура, которая обеспечивает им изотропность. Поэтому  уменьшение протяженности зоны столбчатых кристаллов и размеров зерна в центральной зоне отливок  обычно рассматривается как положительное явление [3, 5].

Эффективным способом воздействия на процессы кристаллизации является термовременная обработка расплавов перед заливкой в форму, приводящая к дезактивации частиц примесей, которые могли бы  служить  центрами кристаллизации. Варьированием температуры и времени выдержки сплава можно добиваться эффекта укрупнения или измельчения зерна [1, 5].

Процесс роста кристаллов может значительно меняться  в результате перемешивания кристаллизующегося расплава; на этом основано применение механических способов воздействия  на  кристаллизацию путем  создания вынужденного движения  в не затвердевшей части расплава: возбуждением в затвердевающем  металле колебаний при встряхивании и вибрации формы, а также заливкой  через вибрирующие воронки [2]. В результате  механического воздействия  на расплав происходит разрушение растущих кристаллов, обломки которых становятся дополнительными центрами кристаллизации, это приводит к  сокращению протяженности зоны столбчатых кристаллов,  общему измельчению зерна, повышению механических свойств литого металла.  Расплав вибрируют с момента начала его затвердевания. Аналогично действуют  на расплав колебания ультразуковой частоты. Вынужденное движение расплава в форме создают также  при помощи электромагнитных полей [6].

Важнейшим методом физико-химического воздействия на кристаллизацию является модифицирование [5]. Оно сводится к введению в сплав веществ (модификаторов), вызывающих измельчение размеров и благоприятное изменение формы структурных составляющих. Модификаторы не изменяют состава сплава, так как вводятся в очень небольших количествах, но изменяют его структуру. Введения модификаторов в ряде случаев сопровождается благоприятным воздействием на вредные примеси (дегазацией, связыванием серы в устойчивые сульфиды). По воздействию они делятся на два рода.

Модификаторы первого рода  образуют центры кристаллизации. Они либо  обладают высокой температурой плавления, и их частицы вызывают гетерогенные образования зародышей, либо образовывают с компонентами сплавов тугоплавкие соединения, играющие такую же роль.

Модификаторы второго рода  являются поверхностно активными веществами. При кристаллизации они концентрируются на поверхности растущих кристаллов и тормозят их рост. Это вызывает увеличение переохлаждения перед фронтом кристаллизации и создает условия для ускорения возникновения новых центров кристаллизации. Растворимость добавки в твердой фазе должна быть небольшой – в пределах 0,01-0,1 %. Модификаторы второго рода не только измельчают зерно, но и изменяют формы роста кристаллов. Они препятствуют развитию игольчатых или пластинчатых кристаллов, придавая им округлую форму. Обычно они имеют невысокие температуры плавления, часто более низкие, чем температура плавления основы сплава.

    Идея введения в расплав микрохолодильников  была предложена  в середине прошлого века  в СССР под названием «суспензионное литье».  Сущность его заключается в том, что в расплав по ходу его заливки в форму через дополнительный канал в литниковой системе вводятся частицы металла (порошок, дробь) того же состава, что и заливаемый металл [3]. Для этого  применяется дозатор, закрепляемый на корпусе заливочного ковша, либо на специальном  манипуляторе. Воздействие микрохолодильников  на расплав является комплексным. Во-первых,  на их нагрев и расплавление  расходуется большое количество тепла,  которое отнимается у металла отливки, в результате чего перегрев расплава сразу же после окончания заполнения формы снимается за весьма короткий промежуток времени, во-вторых,  микрохолодильники,  плавящиеся в форме, образуют дополнительные центры кристаллизации.

    При затвердевании в условиях строго  направленного теплоотвода  в отливке образуются  столбчатые кристаллы, ориентированные вдоль него. Литые изделия с направленной структурой  обладают четко выраженной  анизотропией свойств, поэтому они  находят  применение в  конструкциях и технических устройствах, где она  необходима. Направленная макроструктура  весьма эффективна для деталей, работающих в условиях одноосного напряженного состояния при высоких температурах, в частности, для лопаток роторов  газотурбинных двигателей.   Сплавы для постоянных магнитов очень хрупки,  заготовки для них   получают только литьем;  если при этом они состоят из столбчатых кристаллов, ориентированных вдоль магнитных силовых линий, их магнитная энергия в 4 – 5 выше, чем при равноосной структуре. Весьма перспективными являются изделия  с направленной структурой из сплавов эвтектического или близкого к нему состава. Металл таких изделий  представляет собой так называемый  естественный композит.

Большое научное и практическое значение имеет также технология получения литых металлических изделий с монокристаллической структурой. Благодаря полному исключению  влияния границ зерен   физико-механические свойства  изделий могут достигать  уровня, близкого к максимально возможному для данного материала.

Для направленной кристаллизации  сплавов пригодны все известные методы выращивания кристаллов.

Наиболее типичным и первым по времени появления является  метод  Бриджмена, установки для  реализации которого   состоят из следующих узлов: нагреватель, форма для отливки,  холодильник, механизм перемещения формы, плавильно — заливочное устройство. Нагреватель обеспечивает предварительный нагрев формы выше температуры плавления сплава. Помещенную на массивный интенсивно охлаждаемый проточной водой холодильник форму заливают  металлом и    постепенно вытягивают  вниз из нагревателя. При этом  теплота от затвердевающей отливки отводится строго вниз через холодильник теплопроводностью, а также излучением от боковой поверхности формы, вышедшей из зоны нагревателя, вследствие чего происходит последовательный направленный снизу вверх  рост кристаллов,  так как на границе   жидкого и затвердевшего металла  образуется  большой перепад температур. Регулирование скорости кристаллизации осуществляют с помощью привода перемещения формы.   С увеличением высоты затвердевшего слоя металла  тепловой поток,  передаваемый в холодильник, уменьшается, и  когда толщина затвердевшего слоя  достигает около  70 мм, направленность теплоотвода нарушается. По этой причине  до недавнего времени длина  отливок с направленной макроструктурой не превышала 70 – 100 мм.

Этот недостаток  устранен созданием способа высокоскоростной направленной кристаллизации с использованием жидкометаллических  охладителей —  расплавов алюминия или олова.  Использование в качестве охлаждающих жидкостей расплавленных металлов с небольшой температурой плавления позволяет за счет их высокой теплоемкости и теплопроводности достичь большой теплоотдачи на фронте кристаллизации,  в результате на фронте кристаллизации   создается значительный перепад  температур, величина которого по мере погружения формы в  ванну с охладителем остается неизменной.  Максимальная длина отливки ограничивается только размерами и прочностью формы. Увеличение скорости направленной кристаллизации  позволяет  повысить производительность процесса.

При охлаждении  расплавов  со скоростями  10^{4  —} 10⁷  °С/с   возможно их затвердевание с образованием  сверхмелких зерен  (10^—10 м), а  также аморфной и аморфно-кристаллической  структуры.   До недавнего времени такие скорости  охлаждения считались недостижимыми в принципе,  в настоящее время эта задача  решается за счет  уменьшения массы затвердевающего металла:  мелких капель, лент, пленок, фольги.  При  кристаллизации тонких пленок были получены  скорости охлаждения до 10⁸град/с,  что позволило  получать металлы в аморфном состоянии [1, 5].  В  промышленных масштабах освоены  способы получении литых  изделий в виде порошков или чешуек толщиной или  диаметром 0,005 – 0,1 мм  при распылении   струи расплава высокоскоростным потоком газа или   вращающимся с большой скоростью  диском. Также получают пленки, фольгу или ленты толщиной до 0,1 мм   намораживанием или осаждением  на  охлаждаемый жидким азотом движущийся кристаллизатор. Основная область их применения – элементы армирования композиционных материалов, изделия, получаемые методами порошковой металлургии, а также детали радиоэлектронных устройств.

 

3.3 Ликвация в литых изделиях

Ликвацией называют химическую неоднородность  металла отливки, возникающую в ходе ее затвердевания и формирования кристаллической структуры. В зависимости от величины областей, в пределах  которых возникает ликвация,  различают дендритную ликвацию: неоднородность состава, образующуюся   в пределах отдельных  кристаллов  (в  микрообъемах),   и зональную:  неоднородность состава  в различных частях отливки в целом (в макрообъемах).

Дендритная ликвация  ухудшает механические свойства  сплавов, так как  в результате нее на границах зерен скапливаются примеси,  снижающие    прочность и особенно пластичность.  Для устранения  дендритной ликвации отливки подвергают гомогенизации – высокотемпературному диффузионному отжигу, который приводит к выравниванию химического состава  внутри зерен.

Зональная ликвация  проявляется  в виде скоплений примесей или компонентов сплава в отдельных частях отливки. Причинами зональной ликвации могут конвекция  в жидкой части затвердевающей отливки, диффузионные процессы, перемешивание  расплава. Вследствие проявления  зональной ликвации крупные  и толстостенные отливки     могут иметь  неодно­родный химический состав по сечению стенок.  Например, в  массивных стальных отливках по направлению от поверхности к центру и снизу вверх увеличивается концентрация углерода и вредных при­месей серы и фосфора, что отрицательно влияет на механиче­ские свойства металла в этих местах.

Разновидностью зональной ликвации является ликвация по плотности, или гравитационная. Она возникает в результате большой разницы в плотностях твердой   и жидкой фаз,  наиболее  часто это имеет место при получении  литых изделий  из цветных сплавов  с  компонентами, которые сильно различаются по плотности.

Для подавления зональной ликвации используют методы регулирования процессов кристаллизации, описанные в п. 3.2. В частности, при изготовлении стальных отливок весьма эффективен ввод микрохолодильников,  обеспечивающий объемное затвердевание. Гравитационную ликвацию подавляют  управляемым перемешиванием расплава при затвердевании,  внешними электромагнитными полями, ускорением затвердевания [5].

 

Рекомендуемая литература

1. [1] (с.127-139)

2. [2] (с. 115-129)

3. [5] (с. 107-119)

4. [9] (с. 47-59)

5. [20] (с. 29-35)

 

Контрольные задания для СРС (тема 3) [2, 5, 20]

1. Способы управления процессом кристаллизации.

2. Эффективные способы воздействия на процессы кристаллизации металла.

3. Модификаторы первого рода.

4. Микрохолодильники.

5. Литье при сверхбыстром охлаждении расплава.

 

   Тема 4 Объемная усадка металла при затвердевании  отливки (8 часов)

 

План лекции:

1. Общие представления об усадке металлов и сплавов.

2. Механизм образования объемных усадочных дефектов в литых изделиях.

3. Кинетика образования усадочной раковины в отливке. Факторы, влияющие на величину усадочных раковин.

4. Прибыли, их конструирование и расчет.

5.  Расчет числа и параметров прибылей на отливках большой протяженности.

7. Основные направления совершенствования способов выполнения прибылей.

8. Усадочная пористость в отливках, способы ее предотвращения.

 

4.1 Общие представления об усадке металлов и сплавов

 

Под усадкой понимают  сокращение объема и линейных размеров сплава, залитого в форму, при его затвердевании и охлаждении [5].

Различают три этапа объем­ной усадки:

— усадка в жидком состоянии от момента заливки  до температуры  ликвидус;

-усадка при затвердевании;  она   склады­вается из усадки при изменении агрегатного состояния  (образова­нии твердой фазы)  и усадки  оставшейся жидкой  и  образовавшейся твердой фазы, для данного сплава ее величина постоянна;

-усадка в твердом состоянии  при охлаждении от­ливки от температуры солидус.

Величина   объемной усадки определяется как

,                                                   (4.1)

где — V_0,   V­ — начальный   и конечный объем металла отливки,  α – коэффициент объемного термического сжатия.

Усадка в жидком и твердом состоянии  и при затвердевании

                                                                  (4.2)

При переходе из жидкого состояния в твердое происходит скачкообразное уменьшение объема  на фиксированную для  каждого сплава величину. Серый чугун и висмут при затвердевании расширяются.

Усадка при затвердевании в интервале   температур [5]

         , или                       (4.3)

 ,, — соответственно усадка при переходе из жидкого состояния в твердое,  жидкой и   твердой фаз,  Т_{л ,}  Т_с­  —  температуры ликвидус  и    солидус.

Таким образом, полная объемная усадка  складывается из усадок в жидком состоянии, интервале затвердевания и твердом состоянии.

 

4.2 Механизм  образования объемных усадочных дефектов в  литых изделиях

Протекание объемной усадки в жидком состоянии  и при затвердевании в реальных отливках имеет результатом образование в них объемных усадочных дефектов — полостей, называемых  усадочными раковинами или пористостью.

Причины появления усадочных полостей внутри литых изделий следующие:

— изменение объема залитого в форму металла  в усло­виях внешнего теплоотвода с образованием твердой поверхностной оболочки, вмещающей внутри себя  еще не затвердевший  объем жидкого металла;

—  у большинства сплавов усадка в жидком состоянии и при затвердевании  превышает величину усадки в твердом состоянии, эта разница проявляется  в виде пустот —  усадочных раковин и пор.

Под  усадочной раковиной   понимают  концентрирован­ную группу пустот или одну пустоту, образующуюся в резуль­тате усадки при затвердевании и  охлаждении жидкого металла отливки.

Процесс перемещения жидкого металла внутри затвердевающей отливки, связанный с формированием усадочных пу­стот в поле гравитационных сил и приводящий, в частности, к образованию усадочных рако­вин, называется питанием. При наличии моста, закрывающего усадочную раковину сверху, она называется закрытой, при его от­сутствии  — открытой. Если в процессе затвердевания отливки какая-либо ее крупная часть обособляется, в ней образуется  вторичная усадочная раковина.

Усадочная пористость делится на следующие виды:

1) осевая, сосредоточенная в осевых областях стенок и протяженных   эле­ментов отливок;

2) местная, или зональная, в утолщениях и сопряжениях стенок, а также  в зо­нах разогрева металла в  местах  подвода литников;

3) рассеянная,  распределенная относительно равномерно по всему сечению стенок  отливки или его значительной части.

Каждая пора возникает в результате усадки при затвердевании микроскопического объема жидкого металла, обособленного от зоны локальных перемещений в результате неравномерного роста дендритов.

Усадочная раковина и осевая пористость образуются опусканием расплава сквозь непрерывно нарастающую неподвижную твердую фазу. Известно [5], что переходная зона делится границей питания на две части, в одной из которых усадка компенсируется перемеще­нием жидкой фазы, а в другой – образованием пористости, объемное содержание которой зависит от ширины интервала кристаллизации. В сплаве, кристаллизующемся в ин­тервале температур, формирование обла­сти усадочной раковины заканчивается раньше, чем отливка затвердеет полно­стью. В отливках из сплавов, кристаллизующихся при постоян­ной температуре,  область усадочной раковины  имеет форму конуса или пира­миды.

В начале затвердевания жидкий металл движется внутри твер­дой корки беспрепятственно, однако по мере сокращения расстоя­ния между растущими навстречу друг другу фронтами кристалли­зации начинает возрастать трение потока о стенки ка­нала. При достаточном сужении канала режим движения питаю­щего металла становится  фильтрационным. Когда    условие нераз­рывности потока нарушается,   начинается образование осевой усадочной пори­стости.

Осевая усадочная пористость    существенно зависит от скорости затверде­вания. При её увеличении   развитие осевой пористости  возрастает. Оно также воз­растает при  увеличении длины стенки [1].

Осевую усадочную пористость предотвращают следую­щими мерами: направленное затвердевание от отдаленных ча­стей отливки к источнику питания путем применения технологических напусков,   придания уклона стенкам от­ливок  к источнику питания,   создания в отливке  градиента температур в направлении   источ­ника питания;  уменьшение длины элементов отливки, в которых развивается осевая пористость.

 

4.3  Кинетика образования  усадочной раковины в отливке.  Факторы, влияющие на величину  усадочных раковин

 

Усадочная раковина начинает формироваться с момента обра­зования сплошной твердой корки по всей поверхности отливки. Кинетику образования усадочной раковины удобно  проследить  анализом затвердевания отливки с помощью построения линий изосолидуса. Пусть в  момент  образовался слой затвердевшего  металла некоторой толщины. Так как  объем слоя  меньше, чем объем жидкого металла, из которого он образовался,  уровень жидкого металла внутри слоя понизится на определенную величину δh_i.

                                                                                            (4.4)

Здесь V_i — объем затвердевшего  слоя, F_i­ — площадь жидкого металла,  заключенного внутри затвердевшего слоя.

То же  произойдет и при затвердевании последующих слоев. В результате после окончательного затвердевания отливки  в ней образуется углубление в виде конуса, объем которого зависит от  объема отливки  и коэффициента усадки, а глубина от конфигурации отливки.

Объем усадочной раковины  можно определить по формуле, предложенной  Н. Г. Гиршовичем и  Ю. А. Нехендзи [3]:

 

V_р =  V_отл  [α _ж  (T_{ж ср} – T_л)  + ε_з +α _тв (T_ну – T_{тв ср})],                             (4.5)

 

где Т_{ж ср} и  T_{тв ср} — средние температуры металла соответст­венно в момент начала и в момент конца затвердевания от­ливки;  T_л и  T_ну — температура ликвидус и температура начала линейной усадки.  

Как следует из  формулы  (4.6),  величина усадочных раковин в отливках зависит от следующих факторов:

а) свойства металла (величина коэффициента усадки, коэффициента термического сжатия в жидком и твердом состоянии); чем больше  ε,   , тем больше усадочная раковина; для оценки склонности сплавов к развитию усадочных рако­вин применяются технологические пробы;

б) температура заливки в форму; чем выше температура заливки, тем больше (Т_{ж ср}  — Т_л) и, соответственно,  больше объем раковин.

в) интенсивность теплообмена, с ростом которой   увеличивается  перепад температур по сечению стенок отливки, что увеличивает разность (Т_{ж ср} — Т_кр),такое  же действие имеет увеличение толщины стенки отливки;

г) продолжительность заполнения формы; чем медленнее идет заливка формы, тем меньше усадочная раковина [3, 5].

 

4.5 Прибыли, их конструирование и расчет

Основным средством предотвращения образования усадочных раковин в  литых изделиях  является применение  прибылей. Прибыль представляет собой технологический элемент, в котором должна быть сосредоточена область усадочной раковины и который затем отделяется от отливки  при обрубке. В процессе формирования отливки прибыли составляют с нею единое целое.

Образование усадочных раковин в отливке или ее части может компенсироваться за счет одной или нескольких прибылей, возможно также питание нескольких отливок одной общей прибылью.

Для полноценного обеспечения питания отливки конструкция и размерные параметры прибыли должны отвечать следующим трем  условиям [2, 5]:

1. прибыль должна затвердевать позже отливки τ _{з приб}      ≥     τ _{з отл}      

2. объем прибыли должен быть достаточен для обеспечения запаса жидкого металла на компенсацию усадки (питание) отливки или ее части;

3. процесс затвердевания отливки и прибыли должен обеспечивать возможность беспрепятственного перемещения жидкого металла из прибыли к местам образования усадочных раковин в отливке.

Геометрия прибыли, ее расположение в форме и сочленение с отливкой должны быть технологичными,  обеспечивать удобство формовки и отделения прибыльной части от отливки, прибыль должна быть экономичной, расход металла на питание отливки должен быть минимальным.

Из  указанных трех  условий  нормальной работы прибыли вытекает принцип направленного затвердевания. В  современной трактовке этот принцип формулируется следующим образом: для обеспечения эффективного питания части отливки или ее узла должны затвердевать в определенной последовательности от периферийных участков отливки в направлении к прибыли; прибыль должна затвердевать позже питаемой   ею отливки или узла [2, 5].

Проверка выполнения этого принципа при проектировании технологических процессов осуществляется расчетами или моделированием тепловых полей охлаждающихся отливок [3], а также методами графического анализа чертежей литых изделий.

Прибыли классифицируются по расположению относительно узла питания отливки,  по способу формовки, по способу отделения от отливки  и  по конфигурации.

По расположению относительно узла питания прибыли делятся на прямые (верхние), и отводные (боковые). По способу формовки  и по связи  с атмосферой различают прибыли открытые и закрытые.

В горизонтальном сечении прибыли могут быть  круглыми, овальными,  призматическими и  фигурными.  Закрытые прибыли могут быть  сферическими и полусферическими [5]. Закрытые прибыли более технологичны при формовке и имеют меньшие потери тепла через верхнюю поверхность, чем открытые.

Отводные прибыли следует применять в случае, если установка верхних прибылей прямого действия на питаемых частях отливок невозможна или усложняет их механическую обработку. Они предпочтительнее в качестве групповых, когда одна отводная прибыль обеспечивает питание нескольких отливок или тепловых центров.

При изготовлении отливок сложной конфигурации принцип направленного затвердевания не всегда может быть реализован, поэтому в некоторых  их  элементах,  которые  затвердевают позже вышележащих участков, могут образовываться  усадочные раковины. Такие  места  называются термическими узлами. Термическими узлами могут быть не только утолщенные части отливки, но и части, которые охлаждаются медленнее соседних вышележащих участков. На каждом  из термических узлов должна предусматриваться  установка отдельных прибылей, для расчета размеров которых  отливка должна быть расчленена на узлы питания.

 

4.4.1 Расчет объема и геометрических параметров прибылей

Прибыль в течение всего периода затвердевания отливки непосредственно связана с её формированием. Размеры прибыли можно считать оптимальными, если все элементы отливки при этом полностью затвердели, а глубина проникновения области уса­дочной раковины находится на заданных нижних пределах.

Известные и применяющиеся  в настоящее время методы расчета прибылей можно условно подразделить на практические, полуаналитические  и аналитические [2, 3].   Рекомендации по выбору размеров прибылей для некоторых типовых отливок приведены в [5, 19].

В отдельных случаях можно применять прибыли в форме призмы или цилиндра. В случае применения плоской прибыли ее ширину следует выбирать, руководствуясь соотношением (4.10). Соотношение длины прибыли     к ее ширине  рекомендуется в пределах 2 – 2,5.

В практике также широко используются  методы  графического построения прибылей по  диаметру окружностей,  вписанных в сечение питаемого узла  отливки. При этом  соблюдаются соотношения, устанавливаемые  из опыта предприятия (цеха) в зависимости от требований к изготавливаемым отливкам. Например,  для  отливок шкивов и крановых колес  ширину прибыли определяют как

D₁  =   D_узл  + C,                                                     (4.6)

где    D_узл   — диаметр окружности, вписанной в поперечное сечение питаемого узла отливки.

Полуаналитические методы базируются на учете тем или иным образом  требований к прибыли, сформулированным  в п. 4.5.

Так, из условия       τ _{затв.приб}   >    τ _{затв. отл}          следует,  что

                              R _приб   =  R _отл ( K _приб / K _отл),                                                   (4.7)

где     τ _{затв.приб ,}   τ _{затв. отл} , R_.приб  R _отл – время затвердевания и приведенные размеры прибыли  и отливки,   K_.приб  и  K _отл коэффициенты скорости их затвердевания. Для  случая   получения отливки в форме из единой смеси  (K _приб  = K _отл ) получим  R_.приб > R _отл .  Например, для цилиндрической  прибыли  с высотой H, равной полутора ее  диаметрам D,  получаем  D =  4, 65 R.

По условию достаточности питания усадки запас жидкого металла в прибыли должен превышать  объем усадочной раковины, то есть

V_ж = V_отл  (ε_ж   +  ε _з )                                                      (4.8)

Для определения размеров прибыли по упрощенной методике  найденному объему придают конфигурацию цилиндра либо конуса с отношением высоты к диаметру основания 3:1, а затем добавляют к нему оболочку толщиной, равной приведенному размеру отливки (узла).

Одним из наиболее распространенных методов   данной группы  является  метод Намюра—Шкленника, позволяющий рассчитать объем прибыли с учетом ряда условий питания отливок [3].  По данному методу объем прибыли в общем случае определяется  выражением:

,                                            (4.9)

где   V_приб­ —  объем прибыли;­- коэффициент усадки;  — коэффициент конфигурации прибыли; ,      S_эф ­– поверхность, которая отдает тепло в форму.

т — коэффициент соотношения температуры металла в отливке и прибыли к моменту завершения заполнения литейной формы;

R_эф  — эффективная приведенная толщина теплового узла отливки, м;

Y — ко­эффициент соотношения конфигурации прибыли и отливки;

Z — ко­эффициент соотношения условий охлаждения металла в прибыли и отливке;

i — безразмерный коэффициент конфигурации прибыли.

                                       S_{эф.узла}= S — S_{соед.с приб.}                                              (4.10)

f =  учитывает отношение приведенных размеров и называется коэффициентом компактности,  для обычных прибылей f =1÷1,15.

Значения параметров, входящих в формулу (4.10), устанавливаются в зависимости от конфигурации отливки либо теплового узла, типа прибыли, условий ее заполнения металлом и охлаждения и других факторов. Коэффициент m зависит от типа прибыли  и от удаленности прибыли от места подвода металла к отливке. При иден­тичности (одинаковости) температуры металла в отливке и прибыли т = 1,  если металл подводится  в прибыль через отливку, m =1,05÷1,2.

Коэффициент конфигурации прибыли (безразмерный параметр) рассчитывают по ее объему  и эффективной поверхности охлаждения.

Все размеры прибыли выражают через диаметр или ширину ее основания, используя рекомендуемые для стального литья отношения высоты прибыли к диаметру ее основания:  для закрытых прибылей 1,2…1,25; для открытых прибылей 1,8…2,0. При количественной оценке эффективной поверхности охлаждения прибыли из расчета исключают площадь ее стыка с отливкой.

Эффективная приведенная толщина теплового узла отливки  определяется  делением   объема металла в тепловом узле  на эффективную  поверхность охлаждения  без учета площади стыка массивной части с остальными частями отливки и площади стыка отливки с прибылью.

Коэффициент соотношения условий охлаждения металла в прибыли и отливке  учитывает различие в интенсивности отвода теплоты с поверхностей раздела прибыль-форма и отливка — форма  и численно равен отношению  коэффициентов теплоотдачи   формовочных смесей, из которых выполнены стенки формы для прибыли и отливки.  При изготовлении всей формы из единой смеси  Z = 1.   В случае оформления полости прибыли теплоизолирующими вкладышами Z < 1.                                              

При литье в кокиль отношение тепловых потоков  от отливки и прибыли можно заменить отношением коэффициентов теплопередачи.

Рассчитав объем прибыли V_пр с учетом принятых соотношений между диаметром D_np и высотой  H _пр прибыли, определяют их размеры [3].

Существует также ряд методик расчета, предназначенных для определенных групп отливок либо особенностей  отраслевых требований к ним.

К числу аналитических методов расчета прибылей относится  моделирование процесса затвердевания комплекса отливка-прибыль на ЭВМ [2]. Этот метод наиболее универсален,  позволяет рассчитывать варианты технологии, меняя в ши­роких пределах ее параметры.

 

4.4.2 Расчет числа и параметров прибылей  на отливках большой      протяженности

 

В отливках и их элементах большой протяженности, располагающихся в форме горизонтально, прибыли могут обеспечить перемещение жидкого металла для компенсации усадки только на ограниченное расстояние, которое называют дистанцией, или зоной действия прибыли, в результате чего за пределами зоны образуется осевая усадочная пористость.

Как правило, пористость  устраняется полностью лишь на расстоянии 1,5 — 2 толщины стенки отливки,  некоторое ослабление ее наблюдается на расстоянии до 5 — 7 значений толщины стенки, поэтому дистанцию действия прибыли назначают с учетом  требований к плотности конкретной отливки.  Для отливок

из углеродистой стали обычного качества  принимают   l_д  = (2 — 4) _отл   .

Для  предупреждения образования осевой пористости на отливках большой протяженности и постоянной толщины стенок  необходимо прибегать к установке на отливку или ее элемент нескольких прибылей, исходя из величины зоны, или дистанции их действия.  При этом  расстояние между смежными прибылями не должно превышать суммарной величины дистанций их действия.

В этом случае  задача расчета прибылей имеет две постановки:  задаются величиной протяженности  прибылей и определяют их число, либо задаются  числом прибылей и определяют их протяженность.  Получаем:

а) для бруса или плиты

n_пр  =       _;                                     l_пр  =;                           (4.11)

б)  для замкнутого контура (кольцо, венец)

n_пр  =                                               l_пр  =.                   (4.12)

Для расчета размеров прибыли  исходят из объема питаемой ею части отливки.

 

4.4   Основные направления совершенствования  способов выполнения  прибылей

Расход металла на прибыли при производстве стальных отливок может  составлять от 35  до 100%   от массы литой заготовки, что намного превышает  объем усадочной раковины, для ликвидации которой прибыль предназначена. Остальной металл требуется для поддержания источника питания в виде бассейна жидкого металла до конца затвердевания отливки. Отделение прибылей – одна  из  трудоемких и вредных операций обрубки, существенно  ухудшающая санитарно-гигиенические условия труда.

Любое увеличение разности  скоростей охлаждения металла  в отливке в прибыли должно позволить соответственно уменьшить ее объем. Этого можно достигнуть несколькими путями: выбором оптимальной конфигурации прибыли, рациональной организацией заливки, теплоизоляцией стенок прибылей, внесением дополнительного тепла и расплава, ускорением охлаждения отливки. Каждый из перечисленных вариантов имеет достоинства и недостатки и область применения, где он наиболее эффективен [3, 5].

С точки зрения тепловой оптимальной является сферическая  прибыль,  поскольку имеет наименьшую поверхность при равном объеме. Последние годы для выполнения прибылей сферической формы используют газифицируемые модели, важным преимуществом  которых является возможность устанавливать их в необходимом месте отливки, не связывая их положение с разъемом  формы  и литниковой системой. Для получения сферических прибылей  в индивидуальном и мелкосерийном производстве средних и крупных стальных отливок применяют  метод, при котором  нижняя полость  прибыли образуется в форме моделью, а верхняя стержнем. Модельный комплект состоит из неразъемной модели и стержневого ящика. Применение сферических прибылей взамен обычных (закрытых и открытых) позволяет снизить расход жидкого металла   на   20-30%

Максимально допустимое  увеличение времени заливки металла в форму, чтобы к окончанию заливки часть металла в форме  затвердевала,  способствует уменьшению объема усадочных раковин. Второе  направление заключается в создании в процессе заливки форм распределения температуры металла,  наиболее благоприятного для направленного затвердевания отливки. Необходимо стремиться, чтобы температура металла в прибыли всегда была выше, чем в   отливке. Для этого нужно подводить металл в форму через прибыль или   окончание заливки производить через прибыль.

Замедление охлаждения прибылей с помощью  теплоизолирующих материалов осуществляется, прежде всего, путем засыпки зеркала жидкого металла теплоизолирующими порошками. В простейшем случае это сухой песок; в других случаях малотеплопроводные смеси  и др. Засыпка уменьшает скорость теплоотдачи  с верхней поверхности прибыли в 1,2 — 1,8 раз. Верхние и боковые поверхности теплоизолированных прибылей также  оформляют огнеупорными материалами, имеющими низкую плотность и теплопроводность, для чего используют предварительно изготовленные оболочковые стержни-вкладыши  из различных  смесей с низкой теплоаккумулирующей способностью.

Замедлить охлаждение прибыли путем внесения в ее металл дополнительного тепла можно за счет  тепла экзотермических реакций и доливкой прибылей­ жидким металлом.

Обогреваемые прибыли в качестве  источника тепла имеют химические реакции, как правило, в  оболочковых стержнях-вкладышах,  изготовленных из экзотермической смеси: алюминиевый порошок, окислитель (железная руда или окалина) и наполнитель (шамотный порошок). Под действием теплоты жидкого металла компоненты экзотермической смеси вступают в реакцию с выделением боль­шого количества тепла:

2Al + FeO₃    =   Al₂O₃  + 2Fe + Q

В результате  охлаждение металла в прибыли существенно  тормозится.

Способ доливки  прибылей наиболее эффективен  при изготовлении  крупных и тяжелых  отливок. Спустя определенный промежуток времени после окончания заливки формы производится доливка затвердевающих прибылей специально выплавленным для этой цели жидким металлом.  При этом в прибыли вносится не только дополнительное тепло, но пополняется запас жидкого металла на питание отливки. Это  позволяет уменьшить объем прибылей   в несколько   раз.

Увеличение скорости охлаждения отливок как  технологический прием особенно эффективно при изготовлении массивных толстостенных отливок, если возможно без ущерба для их качества применение  большого количества внутренних холодильников или ввод микрохолодильников при заливке. Например,  при вводе  холодильников в количестве  4—5% от массы отливки объем прибыли может быть сокращен  на 30 -50%, а в сочетании холодильников с теплоизоляцией  и обогревом прибылей экзотермическими  смесями – в несколько раз.

Под повышением эффективности работы прибыли понимают мероприятия, направленные на улучшения условий питания. Повышение эффективности имеет своей целью уменьшить усадочную пористость. Перетекание металла из прибыли в отливку происходит под действием двух сил: гидростатического напора и  атмосферного   давления.   Давление в 1 кг/см²  уравновешивает столб расплавленной стали или чугуна длиной 1450 мм. Высота прибылей большинства стальных отливок средней массы составляет 200—400 мм. Следовательно, атмосферное давление оказывает большое влияние на процессы питания.

Недостаточность гидростатического давления металла для нормального развития процесса питания при отсутствии воздействия атмосферного давления снижает эффективность прибыли, поэтому необходимо принять меры для обеспечения проникновения атмосферного давления в полость усадочной раковины. В обычных открытых прибылях при условии достаточной теплоизоляции верхней поверхности это происходит само собой. Для закрытых прибылей обычно достаточно предусматривать на верхней поверхности плоскую площадку, которая легко прорывается под действием внешнего давления.

Для обеспечения достаточного давления на жидкий металл применяют:

а) прибыли,  работающие под атмосферным давлением: соединяют полость в прибыли с атмосферой с помощью стержня или выступа в форме,  тогда на жидкий металл  действует не только гидростатическое, но и атмосферное давление;

б)  прибыли, работающие под газовым давлением: внутри прибыли помещают заряд с газообразующим материалом, который создает в ее полости избыточное давление, наиболее удобным и безопасным  источником газа является мел, разлагающийся при нагреве  с выделением углекислого газа                                               (СаСО₃  = СаО + СО₂).  Регулирование величины давления и времени начала его действия осуществляется путем подбора массы газообразующего заряда, а также материала и толщины его оболочки.  Прибыли, работающие под газовым давлением, целесообразно применять  при изготовлении мелких и средних отливок,  для которых важно уменьшение  усадочной пористости. Их также рационально использовать при необходимости питания отливок со стенками большой протяженности, поскольку это обеспечивает увеличение дистанции действия прибыли в 1,5 раза.

Повышение направленности затвердевания для улучшения условий питания

усадки («конусности питания»)    может быть достигнуто несколькими путями:

— изменение конфигурации отливки, имеющее целью    плавное увеличение толщины ее стенок по направлению от периферии к прибыли, а также  технологические приливы (напуски);

— обеспечение благоприятных градиентов температуры жидкого металла в конце заливки (заливка металла сверху, через прибыль, многоярусные литниковые системы, заливка с поворотом формы).

— управление процессом  охлаждения отливок в форме  за счет выполнения ее частей из материалов с необходимыми теплофизическими характеристиками:  теплоизолирующих вставок, наружных и внутренних холодильников.

Применение холодильников целесообразно для обеспечения направленности затвердевания в отливках сложной конфигурации или устранения местного перегрева металла при заполнении формы. Наружные холодильники могут быть  ­  монолитными, из металла или из  огнеупорных изделий,  и формованными из металлической дроби  и  порошков огнеупорных материалов.

Внутренние холодильники устанавливаются внутрь полости  формы и могут удаляться из отливки при ее обработке или расплавляться в ней. Расплавляемые полностью или частично  должны иметь идентичный с основным металлом состав. Удаляемые чаще всего устанавливаются в местах, предназначенных для отверстий, и высверливаются при механической обработке детали.

Массу внутреннего холодильника находят  из условия теплового баланса  его нагрева и плавления (полного или частичного)  и величины уменьшения теплосодержания отливки или  ее термического узла, в который должен быть установлен холодильник.

 

4.5 Рассеянная усадочная пористость в отливках, способы ее предотвращения

Если интервал кристаллизации сплава велик, а скорость охлаждения отливки мала, граница ликвидус может достигать оси отливки уже в начальной стадии затвердевания, и ее  затвердевание  происходит объемно.  В этом случае усадочная раковина практически не обра­зуется,  а все сечение отливки представляет собой зону пористости. Пористость снижает прочность и пластичность сплава в отливке  и может быть причиной потери ее  герметичности, так  как  через стенку с порами  могут проникать  газ или жидкость, особенно при высоком давлении.

В отливках из чистых металлов и сплавов эвтектического состава, которые кристаллизуются при постоянной температуре, формируются только усадочные раковины, пористость практически не  получает развития. Это обусловлено последовательным  характером затвердевания, когда  ширина двухфазной зоны близка к нулю. С ростом величины интервала температур  характер затвердевания меняется в сторону объемного, что приводит к увеличению суммарного объема пор и ширины занимаемой ими части сечения стенки отливки и одновременно к уменьшению объема усадочной раковины.  Для состава, интервал кристаллизации которого имеет максимальную для данной системы  величину, пористость  получает наибольшее развитие,    соответственно  усадочная раковина минимальна.

Отсюда  можно сделать вывод, что для того, чтобы обеспечить получение плотных отливок,     следует выбирать  для их изготовления  сплавы с наименьшим  интервалом кристаллизации. Однако сплавы с широким интервалом  кристаллизации, как правило,  обладают   высокими служебными характеристиками  (в том числе и механическими свойствами),  вследствие  чего они широко  применяются для  ответственных деталей новой техники. В первую очередь это относится к цветным сплавам  в авиационно-космической технике, транспортном машиностроении, приборостроении и других отраслях [19].

Поскольку применение  прибылей для  предотвращения  образования внеосевой пористости неэффективно,  для этой цели  созданы   технологии,  основывающиеся на  использовании силового и теплового воздействий на  затвердевающую  отливку.   Их можно подразделить на три группы:

1.Приложение внешнего  давления при затвердевании отливки:  литье под всесторонним газовым  давлением,  литье под давлением  и  литье с кристаллизацией под поршневым давлением.

2.Создание в расплаве внутреннего давления  за счет   воздействия физических полей (центробежное  литье  с вертикальной осью вращения и литье  в  электромагнитном поле). Литье  под электромагнитным давлением  применяется еще достаточно редко.  Электромагнитные силы используют для принудительного заполнения литейных форм жидким металлом и кристаллизации металла под давлением  [6].

3.Литьем с направленным теплоотводом в направлении снизу вверх по аналогии со схемой на рис. 3.10  возможно обеспечить условия эффективного питания объемной усадки отливки независимо от ее конфигурации и свойств сплава без использования прибылей. Способ находит применение для получения  ответственных отливок из высоколегированных сплавов.

 

Рекомендуемая литература

1. [3] (с.223-242)

2. [5] (с. 197-219)

3. [6] (с.348-376)

4. [7] (с. 217-276)

5 [10] (с. 27-29)

6. [10] (с. 222-249)

 

Контрольные задания для СРС (тема 4) [5, 7,10]

1. Механизм образования усадочных раковин.

2. Методы предотвращения образования усадочных раковин и усадочной пористости.

3. Конструкция прибылей.

4. Методы повышения эффективности работы прибыли.

 

Тема 5 Усадочные процессы при охлаждении затвердевшей отливки (6 часов)

 

         План лекции:

1. Линейная усадка элементов отливки.

2. Деформации и напряжения в отливках при механическом торможении усадки.

3. Внутренние напряжения в отливках.

4. Физические представления о механизме формирования внутренних напряжений в отливках.

5. Расчет внутренних напряжений. Действие внутренних напряжений в литых изделиях.

 

5.1 Линейная усадка  элементов отливки

        Линейные размеры отливки при охлаждении начинают изменяться с момента образования на ее поверхности достаточно прочной корки или непрерывного скелета кристаллов. Для большинства сплавов линейной усадке предшествует процесс увеличения объема и размеров отливки,  приходящийся на интервал   температур от образования сплошной твердой корки до достижения температуры солидус   примерно половиной толщины стенки отливки. Это явление получило название предусадочное расширение. Причиной предусадочного расширения является рост размеров корочки затвердевшего металла отливки  в песчано-глинистых формах под действием одного или нескольких факторов: выделение газов из жидкой части металла, выделение графита (в чугунах), явление капиллярного давления в отливках из сплавов с широким интервалом кристаллизации,  расширение формы при нагреве.

С учетом  предусадочного расширения различают истинную,  или теоретическую, линейную усадку, которая равна  ­ разности  между наибольшим и наименьшим размером отливки в ходе затвердевания и последующего охлаждения, и литейную (практическую) усадку, равную разности размеров полости формы и полученной в ней отливки.

                                                            (5.1)

 

 

5.2 Деформации и напряжения в отливках при механическом торможении усадки

Линейная усадка отливки ее  и элементов может протекать свободно или затрудненно. Причиной последнего может быть механическое сопротивление  усадке со стороны формы или стержня, то есть   их силовое взаимодействие с элементами отливки, а также деформация под действием собственного веса массивной отливки.

Затрудненная усадка всегда меньше, чем свободная. Свободная усадка зависит только от свойств сплава, и для данного его состава ее величина  постоянна. Величина затрудненной усадки зависит также   от сопротивления формы, то есть от ее свойств и конфигурации отливки. Сопротивление усадке возрастает при увеличении площади выступающих частей, протяженности  и массы отливки. Разность свободной и затрудненной усадки отливки или ее части составляет их усадочную деформацию. Это  кажущаяся деформация растяжения, которая возникает в отливке или ее части  при  торможении усадки  со стороны формы, она  равна разности действительного размера отливки и размера, который она имела бы,  если бы ее усадка не тормозилась.

Усадочная деформация включает в себя  упругую  и пластическую составляющие:

                                                (5.2)

Упругая деформация  является источником напряжений в отливке,  она  исчезает  при устранении сопротивления  со стороны формы и стержней  при их разрушении в ходе выбивки, пластическая же остается в отливке в виде разницы в ее размерах по сравнению со свободной усадкой.

Линейная усадка должна учитываться при изготовлении модели и формы (размеры полости формы должны быть больше линейных размеров отливки на величину линейной усадки). Величина усадки, на которую делается поправка размеров, должна устанавливаться с учетом реального торможения формы, которое зависит  от многих факторов: конфигурации и толщины стенки отливки,  конструкции и механических характеристик формы.  Следует принимать во внимание, что в зависимости  от указанных факторов усадка   отдельных элементов  отливки может существенно разниться  по  величине.

При получении полых цилиндрических отливок без фланцев величина усадки по диаметру может быть на 40 – 50% меньше, чем  по длине.

В случае ошибки технолога  в выборе величины линейной  усадки отливки или ее элементов  размеры  литой детали могут иметь отклонения от заданных по чертежу, в результате она оказывается забракованной.  Для  устранения  таких отклонений требуется  внесение  корректировки в размеры   модели.

При  несимметричном распределении  сопротивления формы  усадке  отливки в ней  возникает грубое искажение конфигурации, называемое   короблением. Даже при небольшой величине коробление может быть причиной несоответствия геометрии отливки чертежу. Для того, чтобы предупредить   коробление, прибегают к  изменению конфигурации и свойств формы с целью как можно большего снижения сопротивления усадке, либо конфигурацию отливки изменяют при помощи приливов и стяжек таким образом, чтобы  сопротивление формы ее  усадке стало симметричным.

Деформации и напряжения  в  элементах отливки,  вызываемые  торможением усадки,  как правило,  растягивающие.  Если в результате усадочной деформации отливки величина растягивающих  напряжений в каком-либо из элементов  достигает  предела прочности материала при данной температуре, то в этом элементе образуются трещины, представляющие собой полное или частичное разрушение сечения отливки. Теоретически это  может произойти при любой температуре, однако при формировании  отливок трещины  от торможения усадки чаще всего образуются в двух достаточно узких температурных интервалах:  при  температурах, близких к температуре солидус;   при температурах,  близких к  комнатной.

Это обусловливается особенностью зависимости пластических свойств большинства сплавов от  температуры:  деформация разрушения  металла при растяжении  минимальна при низких температурах,  с увеличением температуры она растет,  однако около температуры солидус пластичность сплавов  резко падает, потому  что при этих температурах начинается процесс  размягчения   металла на границах зерен, где концентрируются легкоплавкие примеси.  Эта область температур получила название  температурный интервал хрупкости сплавов.  Относительное удлинение большинства сплавов в этом интервале падает до десятых долей процента [1, 5].

Наложение графика усадочной деформации отливки в координатах температура – деформация на график температурной зависимости пластических свойств сплава позволяет оценить вероятность образования трещин в ней и  выявить температуры, при которых она наиболее  велика. В связи с такой локализацией  принято трещины, образующиеся в первом интервале, называть горячими, во втором – холодными. Горячие и холодные  трещины вследствие различной температуры их образования существенно различаются по внешнему виду.

Отличительными признаками горячих трещин являются: достаточно большая ширина раскрытия, извилистая,   сильно окисленная поверхность излома трещины  с ясно выраженным  кристаллическим строением. Большое раскрытие обусловлено образованием трещины в начальной фазе   усадки, после него происходит расхождение ее краев. Разрушение происходит по границам зерен, и поэтому поверхность трещины неровная. Окисление  поверхности связано с химической активностью металла при высокой температуре.

Отличительные признаки холодных трещин: раскрытие очень маленькое, почти невидимое, поверхность излома блестящая, не окисленная, слабо изогнутая.    Малое расхождение стенок трещины объясняется тем,   что она  образуется  в конце усадки, небольшая изогнутость – тем,  что разрушение металла происходит  непосредственно по телу зерен, отсутствие окисления поверхности  тем, что трещина  образуется  в области низких температур.

В общем случае вероятность образования  трещин зависит от следующих  факторов: величины линейной усадки сплава, сопротивления формы усадке, пластичности сплава в интервале хрупкости.

Склонность сплавов  к образованию горячих  трещин  в отливках, или горячеломкость,  экспериментально оценивают  с помощью технологических проб. Как правило, они  представляют собой отливаемые образцы, конфигурация которых и свойства формы выбираются так, чтобы создавалась концентрация усадочной деформации, провоцирующая образование трещин. Максимум  склонности к трещинам наблюдается  у  сплавов  с наибольшей величиной  интервала  кристаллизации, при   его уменьшении  склонность к трещинам уменьшается.  В области эвтектических сплавов  склонность к горячим трещинам резко понижается. Для большинства литейных сплавов усадочная деформация  при полном торможении усадки отливки  не достигает  критических для данного сплава величин. Как правило, деформация разрушения превышает величину свободной усадки в 2-5 раз. Если отливка имеет одинаковую толщину и охлаждается одинаково во всех своих частях, то в ней горячие трещины могут не образоваться даже при полном торможении усадки.

Причиной    образования  трещин  в отливках  сложной конфигурации  является неравномерность  распределения усадочной деформации объеме отливки, приводящая к ее концентрации (локализации) в отдельных, так называемых «слабых»,   местах отливки. Если  конфигурация отливки и формы таковы, что отдельные области отливки охлаждаются медленнее, чем смежные с ними участки,  из-за различия температур усадочная деформация в них происходит  в гораздо  большей степени, чем в соседних более холодных местах; там, где   она достигает критического уровня,  возникают горячие трещины.

Типичными «слабыми» или «горячими»  местами являются утолщенные части отливки,  сочлененные с более тонкими элементами, сопряжения взаимно перпендикулярных  стенок, а также  острые внутренние углы, где охлаждение замедленное, места разогрева металла  и формы около питателей и прибылей. Концентрация усадочной деформации  и,  следовательно, вероятность образования трещины в отливке  тем больше,  чем больше отношение жесткости тонких участков к жесткости толстых, «слабых», зависящего, помимо других факторов, от разности их температур, и чем больше отношение полной длины элемента отливки к длине   утолщенного  участка.  Это объясняет известный из практики факт, что горячими трещинами чаще поражаются   отливки, имеющие  большую  протяженность.

Современные способы  предотвращения горячих трещин базируются на комплексном использовании изложенных выше представлений и включают в себя несколько направлений:

—         максимальное уменьшение торможения усадки формой  путем подбора состава формовочной смеси,  а также рационального  конструирования формы и стержней;

—         обеспечение максимально возможной технологичности  конфигурации отливок в отношении горячих трещин при их конструировании  (назначение разности толщины стенок   в допустимых пределах,  рациональное оформление  сопряжения стенок,  переходов, углов и выступов);

—          выбор марки сплава  для отливок  сложной конфигурации   с учетом его  склонности к горячим трещинам;

—         уменьшение или недопущение местного разогрева формы и металла отливки рациональной организацией заливки;

—         применение  технологических приемов для  рассредоточения  усадочной деформации  с целью уменьшения ее концентрации (увеличение жесткости «слабых» мест с помощью  усадочных ребер,  охлаждение «слабых» мест внутренними и наружными холодильниками  или  другими способами искусственного охлаждения для увеличения их жесткости при температуре образования трещин;    увеличение      сцепления     отливки со стенкой формы с помощью выступов или впадин на ней с целью  затруднить  усадку более жестких участков и тем самым рассредоточить ее).

Рассмотренные меры достаточно  эффективны и в большинстве случаев дают технологам-литейщикам возможность надежно предотвратить образование горячих трещин  в отливках любой сложности.

5.3   Внутренние напряжения в отливках

          Возникновение внутренних напряжений в деталях и конструкциях имеет место в большинстве технологических процессов их изготовления: литье, сварке, обработке давлением, термической, механической и др. В основе возникновения внутренних напряжений лежат  объемные изменения в материале  вследствие неравномерного  нагрева и охлаждения,  структурных превращений, пластической деформации [5, 8].

Внутренние напряжения могут быть временными, возникающими и изменяющимися в теле при изменении во времени тех или иных факторов воздействия, и остаточными, остающимися в теле после прекращения действия причин их вызывающих.

Согласно общепринятой классификации, внутренние напряжения делят на напряжения первого, второго и третьего рода, в зависимости от величины объемов, в которых они уравновешиваются [5, 8]. К напряжениям первого рода (макроскопическим) относятся напряжения, уравновешивающиеся в объемах одного порядка с объемами тел. К напряжениям второго рода (микроскопическим) относятся напряжения, уравновешивающиеся в объемах одного  порядка с объемом одного или нескольких кристаллитов. К напряжениям третьего рода (субмикроскопическим) относят напряжения, уравновешивающиеся в объемах одного порядка с размерами элементарной кристаллической решетки.   При анализе напряженного состояния и деформаций в металлах учитывается, как правило, действие напряжений первого рода.

Внутренние напряжения в отливках возникают вследствие неравномерного и неодновременного протекания линейной усадки   их частей при охлаждении. В зависимости от факторов, обусловливающих неравномерность усадки и возникновение напряжений, их подразделяют на три вида:

—         температурные, обусловленные различной температурой  частей отливки в процессе ее остывания;

—         фазовые, обусловленные   структурными превращениями в  отливке и ее структурной неоднородностью;

—         механические, обусловленные неравномерным механическим сопротивлением формы усадке отдельных частей отливки.

Образование внутренних напряжений в отливках обусловливается в общем случае совместным действием указанных факторов, однако основным из них   является неравномерность охлаждения отливок.

Температурные поля отливок, как известно, имеют сложный характер. В отливках произвольной конфигурации различают два типа температурных напряжений [8]:

—         напряжения, обусловленные силовым взаимодействием частей отливки, которые приобретают в процессе охлаждения различные средние температуры вследствие разной толщины или условий охлаждения. Их часто называют  «напряжениями заделки»;

—         напряжения, обусловленные перепадом температур между наружными и внутренними слоями металла по сечению элементов стенок остывающей отливки, называемые напряжениями  в слоях.

В зависимости от конфигурации и условий охлаждения отливок в них могут преобладать напряжения того или другого типа. Во многих отливках или их элементах величины напряжений обоих типов оказываются одного порядка.

Механизм возникновения и развития напряжений в отливках весьма сложен. Это объясняется сложностью тепловой и силовой обстановки, в которой формируется отливка. Кроме того, в ходе охлаждения непрерывно меняются механические свойства материала отливки, что также затрудняет анализ ее напряженного состояния.

Наибольшее распространение в литературе  получила теория образования внутренних напряжений, предложенная Гейном, основных положений которой до недавнего времени придерживалось большинство литейщиков [5].

Согласно теории Гейна,  при высоких температурах  в металле имеют место только пластические деформации, а при низких – только  упругие; при этом переход из одной области в область другую происходит скачкообразно при определенной для каждого сплава критической температуре Т_кр..

С помощью  этой классической схемы рассмотрим процесс образования напряжений  в ходе    охлаждения отливки, представляющей собой  связанные между собой толстый и  тонкие стержни [5].

Начальная температура стержней одинакова. В последующем температура стержней в каждый момент времени различна. Разность температур стержней достигает максимума в момент равенства скоростей их охлаждения (τ_m), после чего она уменьшается до нуля к концу охлаждения. В другом масштабе, (), графики изменения температуры  представляют собой графики свободной линейной усадки стержней. Как видно, величина усадки за весь период охлаждения у стержней одинакова, однако в ходе охлаждения она различна в соответствии с разницей текущих температур. В связанной системе усадка стержней должна быть все время одинаковой, что достигается соответствующими деформациями стержней. Сумма этих деформаций представляет собой суммарную температурную деформацию ε_т системы.

Величина ее определяется соотношением:

 

                                                     ε_т=α (Т₁ – Т₂),                                                   (5.3)

где α – коэффициент линейного расширения материала отливки;

Т₁ ,Т₂ – текущая температура стержней.

Поскольку стержни охлаждаются с разной скоростью, они достигают критической температуры в разное время  τ₁ и τ₂.      В процессе охлаждения системы можно выделить  три периода:  от начала охлаждения до момента τ₁ вся система находится в пластическом состоянии; от момента τ₁ до τ₂  тонкие стержни  находятся в упругом состоянии, а толстый стержень – еще в пластическом; от момента τ₂ до конца охлаждения вся система находится в упругом состоянии.

До момента τ₁ в системе не возникает упругих деформаций и, следовательно, нет напряжений. К моменту τ₂, когда толстый стержень переходит в упругое состояние, стержни имеют разную температуру и одинаковую длину (за счет пластической деформации сжатия толстого и растяжения тонких). Если в момент τ₂ разъединить стержни, их размеры менялись бы то в соответствии с температурными кривыми, и усадка оказалась бы различной. Но так как система является связанной,  в тонких стержнях возникают упругие деформации сжатия, а в толстом стержне – деформации растяжения.        Остаточные  деформации в тонких и толстых частях отливки противоположны по знаку и равны по величине пластическим деформациям, бывшим в них момент τ₂. Остаточные напряжения в отливке пропорциональны модулю упругости Е и температурной деформации  ε_т в момент перехода толстых частей в упругое состояние [5]:

 

                                            σ = к Е α (Т_кр. – Т₂),                                                          (5.4)

где    Т_кр. – температура перехода металла в упругое состояние,

           к – коэффициент, зависящий от соотношения площадей сечения толстых  и тонких частей.

Момент τ₂ может не совпадать с моментом достижения наибольшей разности температур τ_m. Если τ₂ > τ_m., часть пластической деформации окажется обратимой, так как до момента τ_m. пластическая деформация  будет уменьшаться. В случае, если τ₂ > τ_m , обратимой будет упругая деформация, полученная системой между моментами τ₂ и τ_m. Следовательно, остаточные напряжения пропорциональны необратимой пластической деформации, накопленной в отливке к моменту τ₂  [5].

В действительности чёткой температурной границы между упругим и пластическим состоянием металла  не существует – металлы при любых температурах  испытывают  упругие и пластические деформации. Допущение о скачкообразном переходе из области пластической в область упругой деформации  можно принять в  приближенных расчетах, поскольку оно дает основание пренебречь напряжениями, возникающими в высокотемпературной области, и тем самым   упростить расчет остаточных напряжений в отливках.

Современные представления о механизме образования внутренних напряжений в отливках были разработаны  Л. С. Константиновым  и его учениками [8]. В анализе этого процесса   используется  понятие   релаксации напряжений, которая  является одним из видов неупругого поведения металлов, обусловленного наличием у них свойства ползучести, или медленной пластической деформации при напряжениях, меньших предела текучести.

Формирование напряжений рассматривается как процесс, состоящий из трех стадий  [8].   В первой, продолжающейся до момента достижения максимальной разности температур, происходит рост напряжений, непрерывно снижаемых процессом релаксации. Во второй стадии происходит  их снижение, вызываемое  продолжающейся релаксацией и  уменьшением разности температур. Конец второй стадии характеризуется разгрузкой отливки от напряжений при наличии разности температур в ней. В течение третьей стадии происходит возрастание обратных по знаку напряжений, также снижаемых релаксацией

Из этой схемы  следует, что величина остаточных напряжений в отливке будет тем меньше, чем меньшей  будет релаксация напряжений на первом и втором этапе; при этом момент разгрузки отливки от напряжений смещается в сторону более низких температур. Релаксация напряжений в третьей стадии способствует уменьшению остаточных напряжений.

Для описания процесса деформации  тел при приложении  нагрузки используются  формальные схемы, одной   из которых  является линейная упруго-вязкая  модель Максвелла.   В соответствии с ней  металл представляется состоящим из чередующихся упругих и вязких элементов (зерен и  границ между ними).

Деформация металла во всем диапазоне температур остывающей  отливки рассматривается как упруго-вязкая, то есть  пластическая ее часть есть результат релаксации напряжений.

Исходя из этой модели,   уравнение   температурной деформации   при охлаждении отливки    (5.6)  в дифференциальной форме можно записать в следующем  виде:

(5.5)

          Здесь  — температурная деформация,        — упругая деформация.

Величина  характеризует скорость накопления пластической деформации вследствие релаксации действующих в элементе напряжений.

Связь между деформациями стержней и внутренними напряжениями в них выразится системой уравнений, решение которой приводит к линейному дифференциальному уравнению вида:

                                 dσ/dτ  +B(τ )·σ –  C(τ ) = 0                                                  ( 5.6)

 

Коэффициенты B и C, зависящие от времени, представляют собой зависимости  деформации, температуры и релаксации напряжений от  скорости охлаждения отливки. Уравнение  (5.6) решается  методами численного интегрирования  на  ЭВМ.

Как показывают расчеты и данные экспериментов,  остаточные напряжения в тонкостенных отливках существенно зависят   от скорости охлаждения отливки  в области высоких  температур.

Для инженерных расчетов остаточных напряжений с достаточной для практики точностью можно использовать гипотезу и расчетную схему Гейна.

Исходя из условия, что  внутренние напряжения в отливке находятся  в равновесии, запишем:

 ,                                     (5.7)

где  ,    F_1,  F₂   —  ­напряжения в толстом и тонком стержнях и                                                                                  площади их сечения;       деформация

 

Растягивающие  (в толстом стержне) и сжимающие (в тонких стержнях) остаточные напряжения рассчитываются по формулам:

     а) для толстого стержня                                                      (5.8)

 

    б) для тонких стержней                                                       (5.9)

 

где                  Т₁ –Т₂    — разность температур стержней отливки в момент

перехода их в   упругое состояние;        a_Т  — коэффициент линейной усадки сплава;       Е  — модуль упругости;         F , f  — сечение толстого и тонкого стержней.

С достаточной для приближенных расчетов точностью можно принять , где    — максимальная разность температур стержней решетки.

Эту величину можно определить расчетным путем. Известно (см. п. 2.3), что текущая температура отливки или ее части, охлаждающейся в форме, определяется по формуле:

 

 ,                                                 (5.10)

где      — текущая и начальная избыточные температуры, т.е. отсчитываемые    от температуры среды как от нуля;    — время;

К — коэффициент, характеризующий скорость охлаждения, величина которого ,                                                          (5.11)                                                                                Для толстых и тонких стержней решетки можно записать:

 

                                                                                 (5.12)

 

где   — текущая температура толстого и тонкого стержней         соответственно

К₁, К₂  -коэффициенты охлаждения толстого и тонкого стержней.

Приравнивая к нулю первую производную выражения (5.12), определяем момент наступления и величину максимальной разности температур.

 

                                     

                                                           (5.13)                         

 

Обозначим    .    Тогда можно записать

                                    ,                                 (5.14)

 

где    R₁, R₂ – приведенный размер толстого и тонкого стержня,  — температура толстого стержня;      -температура тонкого стержня.

Из выражения (5.14) вытекает, что величина разности температур, а следовательно, и остаточных напряжений, будет зависеть от соотношения толщины толстого и тонкого стержня и от начальной температуры  .

Для измерения внутренних напряжений  в отливках  преимущественно  используются  механические методы. Они  основываются на  разрушении исследуемого тела и  измерении возникающих при этом упругих деформаций с помощью механических или оптических приборов, а также тензометров сопротивления.       Механические методы   могут быть связаны с полным или  частичным разрушением тела. Первые позволяют определить напряжения по всему объему тела, вторые – только в поверхностных и прилегающих к ним слоях.

При исследовании остаточных напряжений чаще всего прибегают к отливке специальных образцов – усадочных решеток. Решетки могут быть различной конфигурации,  наибольшее распространение получили прямоугольные трехзвенные решетки из одного толстого и двух тонких брусьев и круглые решетки, представляющие собой кольцо с перемычкой по диаметру, толщина которой отлична от толщины кольца.

Трехзвенная прямоугольная решетка имеет то преимущество, что в ее стержнях возникают только напряжения растяжения и сжатия, постоянные по их длине. Это, однако, может быть достигнуто лишь при достаточно большой жесткости перекладин. При малой жесткости перекладины изгибаются, что влечет за собой изгиб тонких стержней. В круглых решетках кольцо также подвергается изгибу, в результате чего в каждом  его сечении действуют растягивающие и сжимающие напряжения, переменные по  длине. Определение остаточных напряжений в усадочных решетках связано с разрезкой толстого стержня и измерением произошедшей при этом деформации.

Измеренная деформация пересчитывается в напряжения, для чего необходимо знать модуль упругости материала решетки, который определяется либо испытанием специально изготовленных образцов, либо по зависимости между деформацией кольца  решетки и вызывающей ее нагрузкой при сжатии  на  гидравлическом прессе.

По полученной зависимости оказывается возможным рассчитывать модуль упругости и остаточные напряжения.

Для  детального исследования механизма возникновения внутренних напряжений и его особенностей для разных сплавов и режимов охлаждения отливок имеет большое значение измерение не только остаточных, но и временных  напряжений во всем температурном диапазоне  их развития.

Способ измерения внутренних усилий в ходе охлаждения образца типа усадочной решетки без нарушения его напряженно-деформированного состояния  был предложен автором  [9]. Для этого  использовался прием, применяющийся для раскрытия статической неопределимости балок и стержневых систем.

Если в прямоугольной решетке с абсолютно жесткими перекладинами одну из перекладин закрепить  неподвижно к какой-либо опоре, а другой перекладине обеспечить возможность перемещаться свободно, очевидно, условия формирования внутренних напряжений в решетке от этого не изменяются.

Действие внутренних напряжений в отливках,  как правило, является отрицательным. Наиболее характерные случаи их неблагоприятного действия  в отливках следующие:

1. Образование горячих  и холодных трещин  от действия растягивающих внутренних напряжений в процессе охлаждения  отливок.

Трещины теоретически могут образоваться в любом интервале температур. Однако, наиболее часто  образуются холодные трещины ближе к окончанию охлаждения отливки, в области  температур 200 – 20 ºС.

В массивных элементах отливок в начальный период охлаждения могут возникать   горячие  трещины в наружных, более холодных слоях. В полых цилиндрических отливках трещины возникают  на внутренней поверхности, как правило, в конце охлаждения.

При этом трещины могут быть вызваны не только внутренними  напряжениями,  но и  их действием совместно с напряжениями от торможения усадки (чаще всего стержнем).

1. Коробление отливок несимметричной конфигурации под действием внутренних напряжений.        При  неравномерном  охлаждении отливки, имеющей несимметричную конфигурацию,  она изгибается пропорционально росту разности температур. Если эта деформация  не превысит предел упругости сплава, к концу охлаждения отливка возвращается к  первоначальной конфигурации. Так как  форма оказывает сопротивление изгибу, это приводит к пластической деформации в одной или обеих частях отливки, в результате которой отливка к концу охлаждения окажется криволинейной.
2. Коробление и разрушение отливок от совместного действия остаточных и температурных напряжений при нагреве для термической обработки.

В ходе  нагрева отливок для термической обработки тонкие части прогреваются   с большей скоростью, чем  толстые.  Неравномерный нагрев приводит к возникновению температурных напряжений, совпадающих по знаку с остаточными, а их совместное действие – к короблению и образованию трещин.

1. Образование трещин и разрушение изделий или их  пластическая деформация при нагрузках, меньших, чем расчетные.

При неблагоприятном распределении остаточных напряжений их сложение  с напряжениями от эксплуатационных нагрузок снижает предел упругого сопротивления изделия, что приводит к пластическим деформациям,  либо, в случае хрупких материалов, появлению трещин и разрушению.

1. Коробление литых изделий  в ходе  механической обработки.  В случаях,  когда снятие напряженных слоев металла (припуска)  нарушает равновесие остаточных напряжений в объеме детали,  их  перераспределение приводит к деформации (искривлению).
2. Постепенное деформирование (коробление)  изделий в ходе   эксплуатации  вследствие релаксации остаточных напряжений.  В результате медленного перехода части упругой деформации в пластическую  может происходить перераспределение внутренних напряжений и коробление изделия, приводящее к потере размерной  точности и  при  отсутствии внешней нагрузки.

Основным фактором, от которого  зависит  величина остаточных напряжений, является разность температур.      Она зависит от конфигурации и размеров частей отливки, теплопроводности сплава и условий охлаждения, определяемых теплофизическими свойствами формы или окружающей среды.

Выше отмечалось, что целесообразно рассматривать отдельно напряжения, возникающие от температурных перепадов между толстыми и тонкими элементами отливок, и напряжения от температурных перепадов по толщине. Обозначив ΔТ_р  разность температур между толстой и тонкой частями, – разность температур в сечении наиболее толстой стенки, можно с помощью их отношения охарактеризовать напряженное состояние отливки:

При ΔТ_р / ΔТ_с << I  — преобладают напряжения, вызываемые перепадом температур по сечению отливки, при ΔТ_р / ΔТ_с >> I – преобладающими являются напряжения, определяемые     разностью температур толстых и тонких частей отливок.

Первое соотношение характерно для отливок и  их элементов, имеющих сравнительно большую толщину, второе характерно для тонкостенных отливок сложной конфигурации.       При прочих равных условиях перепад температур по сечению пропорционален толщине отливки и скорости ее охлаждения. Чем  больше толщина и скорость охлаждения, тем больше перепад температур и, соответственно, величина остаточных напряжений.

Разность температур толстых и тонких частей, как было показано выше, пропорциональна отношению скоростей их охлаждения и мало зависит от  их абсолютной величины. В то же время   экспериментально установлено, что ускорение охлаждения в области высоких температур приводит к уменьшению остаточных напряжений в тонкостенных отливках.

Для уменьшения вероятности неблагоприятных последствий от действия внутренних напряжений необходимо, прежде всего, обеспечить снижение их уровня.  Анализ факторов, влияющих на них, позволяет определить несколько основных   способов:  подбор материала отливки, рациональная конструкция,  регулирование охлаждения.

Рациональная конструкция отливки предполагает  уменьшение разности толщин элементов отливок,  создание несвязанных конструкций, меры для уменьшения  величины растягивающих напряжений (разрезные ступицы и изогнутые спицы колес и маховиков и др.).

Подробно изучены и широко применяются различные методы уменьшения разности температур, основанные на регулировании охлаждения отливок в форме: ускорении охлаждения толстых частей с помощью холодильников и других средств искусственного охлаждения, замедлении  охлаждения тонких частей. При массовом, конвейерном производстве  эффективен способ управляемого  ступенчатого охлаждения – извлечения   отливки из формы при высокой температуре  и последующего охлаждения  в  конвейерной охладительной камере  с контролируемой температурой.

Рекомендуемая литература

1. [5] (с. 305-317)

2. [8] (с. 122-138)

3. [19] (с. 417- 423)

 

Контрольные задания для СРС (тема 5) [5, 8, 9]

1. Горячие и холодные трещины.

2. Способы предотвращения горячих трещин в отливках.

3. Современные методы исследования внутренних напряжений в отливках.

4. Способы умещения величины остаточных напряжений в отливках.

4 Методические указания для выполнения практических занятий

 

           Практическое занятие №1 «Определение жидкотекучести сплавов» (2 часа)

 

Цель занятия: Изучение факторов, влияющих на жидкотекучесть сплавов. Методы определения жидкотекучести.

Общие положения

         Жидкотекучесть – свойство металлов и сплавов, выражающее их способность заполнять форму и давать в отливках рельефный отпечаток ее поверхности. Она является важнейшим технологическим свойством литейного сплава.

Жидкотекучесть зависит от большого числа факторов: вязкости и поверхностного натяжения сплава, его состава, условий заливки, движения и охлаждения сплава в форме, условий его первичной кристаллизации и др.

Различают истинную и практическую жидкотекучесть. Истинной  считают  жидкотекучесть, которая определяется для сплавов разного состава при одинаковом перегреве над линией нулевой жидкотекучести.

Практической считают жидкотекучесть,  которая определяется для сплавов разного состава при одинаковой температуре заливки. При этом получаются разные перегревы над линией нулевой жидкотекучести. Во многих случаях практики без специальных исследований трудно установить температуру нулевой жидкотекучести. Поэтому для некоторого приближения к показателям истинной жидкотекучести различных сплавов  применяют вместо одинакового перегрева над нулевой жидкотекучестью одинаковый перегрев над ликвидусом.

Таким образом, в практике жидкотекучесть различных сплавов может оцениваться либо при одинаковой температуре заливки (практическая), либо при одинаковом перегреве над ликвидусом (условно истинная).

Влияние различных факторов на жидкотекучесть качественно может быть оценено формулой Портевена и Бастиена  или аналогичной ей формулой Ю.А.Нехендзи.   Из них следует, что при     t_Ф = cons t      Ж = f (t_зал – t_пл),      а при  t_зал = cons t;  Ж = f (t_пл – t_ф)                                                 

В производственных условиях  для повышения жидкотекучести сплава  прибегают к его перегреву, т. е. повышению температуры заливки.

Для определения жидкотекучести используют технологические пробы различных типов. Наиболее часто применяются пробы постоянного сечения – прутковые, U – образные, спиральные, пробы переменного сечения – клиновые, шариковые и др. С целью унификации условий измерения жидкотекучести разработан  стандарт на спиральные пробы, которым регламентируются размеры и сечение каналов формы, способ заливки при изготовлении пробы в песчано-глинистой и металлической форме.

 

Оборудование, оснастка, приборы

Плавильная печь, модельная оснастка, формы для заливки проб, измерительный инструмент, термопары, термометры, шкаф нагревательный.

 

Порядок проведения работы:

1. Приготовить в плавильной печи расплав модельного сплава.

2.  Подготовить к заливке формы технологических проб: спиральной, U – образной.

1. Залить формы проб для следующих вариантах опытов:

а) U – образная проба – температура заливки 60, 70, 80⁰ С – металлическая и деревянная форма;

б) спиральная проба – температура заливки 60, 70, 80, 90⁰ С – металлическая, деревянная, комбинированная форма;

в) температура формы спиральной пробы – 20, 30, 50⁰ С.

1. Измерить длину залитых проб. Результаты занести в таблицу.

Номер опыта	Вид пробы, формы	Температура		Жидкотекучесть, мм
		сплава	формы

1. По результатам экспериментов построить графики зависимости жидкотекучести от температуры заливки сплава и температуры формы.

 

Контрольные вопросы:

1. Что называют жидкотекучестью сплава?
2. Каково влияние жидкотекучести сплава на процесс получения отливок.
3. От каких факторов зависит жидкотекучесть сплава?
4. Что понимается под истинной, условно-истинной и практической жидкотекучестью?

Рекомендуемая литература

1.[5]

2.[21]

Контрольные задания для СРС [1, 5, 19]

1. При  каких условиях должна определяться  практическая   жидкотекучесть сплавов разного состава?

2. Для чего служит понятие «интенсивность теплообмена» тела со средой?

3. Каким образом можно  определить истинную линейную усадку отливки?

         Практическое занятие 2 «Влияние условий заливки и свойств форм на ее заполняемость» (2часа)

 

Цель занятия: Изучение факторов, определяющих заполняемость                 литейных форм.

 

Общие положения

 

Влияние условий заливки и свойств формы на ее заполняемость изучают на сплаве  с определенной жидкотекучестью.

Наблюдения заполнения расплавом  тонких стенок, моделируемого  стеарином, заполняющим формы из прозрачного пластика, позволяют представить следующую  картину. При низком гидростатическом напоре в стояке расплав подходит к литнику и образует выпуклый мениск, но не может  преодолеть поверхностное натяжение. При повышении напора поверхностное натяжение преодолевается, и расплав стремительно вливается в полость формы.  При выравнивании уровней расплава в стояке и формы движение замедляется: на переднем крае потока начинает образовываться твердая корочка, сдерживая дальнейшее движение. При увеличении напора корочка на переднем крае может прорваться, и жидкий расплав на отдельных участках вытечет в виде языков. Однако, в результате быстрого охлаждения и насыщения расплава твердыми кристалликами это движение быстро прекращается. Режим заполнения формы для особо тонкостенной отливки должен быть организован так, чтобы твердая корка на переднем крае потока не могла образовываться, пока не закончено заполнение.

 

Оборудование, оснастка, приборы

Плавильная печь,  модельная оснастка,  формовочные и  измерительные инструменты, термопара, заливочный инструмент, формовочная смесь, шихтовые материалы, спецодежда.

 

Порядок проведения работы

1. Изготовить в парных опоках   формы для отливки проб  и  формы, полости вертикальных каналов (диаметром 5, 6, 7, 8, 10 мм) которых образуются  стержнями или металлическими вставками из материалов с разными теплофизическими свойствами.
2. Выплавить сплав заданного состава, перегреть его на 30 – 50^оС выше назначенной  температуры заливки.  Залить формы.
3. Охладить отливки, извлечь их из форм и очистить от формовочной смеси.
4. Измерить длину цилиндрических образцов.
5. Определить зависимость заполняемости формы:

а) от диаметра канала или толщины плоской стенки (при одинаковом     удалении от стояка);

б) от удаления их от стояка при одинаковом сечении  каналов;

в) от теплофизических свойств материала форм;

г) от гидростатического напора.

Контрольные вопросы:

  1. Как зависит заполняемость формы от ее теплофизических и геометрических характеристик?

2. Каково влияние скорости заливки формы на ее заполняемость?

  3. Какие свойства сплава влияют на заполняемость формы?

 

Рекомендуемая литература

1. Гуляев Б.Б.   Теоретические основы литейных процессов. – М.: Машиностроение, 1976.

2. Курдюмов А.В.  Лабораторные работы по технологии литейного     производства. – М.: Машиностроение, 1976.

 

Контрольные задания для СРС [1, 5, 19]

1. В чем сущность  и   способы реализации    принципа  направленного затвердевания  отливки?

2.  Для чего применяется литье с кристаллизацией под поршневым давлением?

3. Что обеспечивает  создание «конусности питания» на отливке?

 

Лабораторная работа №3 «Изучение закономерностей затвердевания отливок в форме и методов их исследования» (2часа) 

Цель работы: Изучение закономерностей затвердения отливок в форме и       методов их исследования.

 Общие положения

Теоретический расчет затвердевания отливки сводится к решению системы трех дифференциальных уравнений теплопроводимости: для формы, слоя  твердого металла и жидкого металла. Численные расчеты затвердевания требуют знания большого количества теплофизических констант (плотности, теплоемкости, теплопроводимости) материала формы, твердого и жидкого металла и начальных условий. Общее решение систем дифференциальных уравнений теплопроводности пока не найдено.

Известные решения основаны на ряде упрощающих допущений  (независимость теплофизических констант от температуры, постоянная температура в месте константа отливки с формой и т. д.). Если принять   теплоемкость, плотность, теплопроводность отливки в процессе затвердевания отливки постоянными, а также допустить, что температура в затвердевающей отливке зависит только от координаты Х (это равносильно допущению, что стенка имеет бесконечные размеры по координатам Y и Z), толщина затвердевшего слоя отливки меняется по соотношению

                                                      (1)

где         К₃ –   коэффициент затвердевания;

               t —     время пребывания металла в форме с момента заливки.

Коэффициент затвердевания имеет размерность мм ·сек ^-1/2.

Строго говоря, закон квадратного корня справедлив для плоских отливок из чистых металлов. Его применение допустимо также для начальных моментов затвердевания отливок любой конфигурации.

Для расчетов по формуле (1) необходимо знание коэффициентов затвердевания, которые определяются опытным  путем. Для изучения процессов затвердевания отливок используют  экспериментальные способы, которые могут быть подразделены на прямые и косвенные. К прямым относятся:  термический анализ при помощи термопар, установленных в различных областях отливки;  выливание жидкого остатка и измерение толщины затвердевания металла.

К косвенным методам относятся:  моделирование тепловых условий затвердевания на ЭВМ;  изучение затвердевания легкоплавких материалов и моделей из них и перенесение их на реальные  материалы и объекты.

 Порядок проведения работы

 

В  работе изучается кинетика затвердевания парафина в тонкостенной металлической форме методом выливания. Работа проводится в следующем порядке. Парафин расплавляется в  печи и  доводится до заданной температуры перегрева, которая измеряется ртутным термометром.

Предварительно до начала заливки стальные формы устанавливаются в ванночку с проточной водой. Одна из форм вынимается из воды и быстро заливается парафином. В конце заливки включается секундомер, после чего форму сразу же ставят обратно в воду.

Аналогичным образом заливаются и остальные формы. Выливание не затвердевшего парафина производится через 1, 2, 3, 5, 7, 9 минут после его заливки. После выливания формы помещаются в воду   до полного охлаждения корочки. Затем по всей высоте формы корочка разрезается ножом и извлекается.

Для изучения влияния теплофизических характеристик материала формы на скорость затвердевания отливки парафин заливают в комбинированные формы, стенки которых облицованы  вставками из меди, дерева, керамики. Температура заливки 65, 75, 90⁰ С. Время выдержки в форме 10, 15, 20, 30 минут.

Толщина корочки измеряется на ее изломе в среднем по высоте  части при помощи тонкой металлической линейки с точностью до 0,3 мм. За толщину корочки принимается среднее арифметическое трёх измерений, сделанных на разных изломах.

Каждая бригада проделывает  работу при двух температурах заливки:  близкой к точке затвердевания парафина,  для чего кружку с жидким парафином охлаждают на воздухе до образования на поверхности парафина корки толщиной 4 – 5 мм, после чего корка разрушается и производится заливка, и  около 100⁰С.

 

Оформление работы

Результаты измерений обрабатываются отдельно каждой серии опытов с разным перегревом парафина.

Составляется следующая таблица.

Время выдержки парафина, сек.		Толщина затвердевшего слоя , мм.	Коэффициент затвердевания, мм/сек1/2=

          По табличным данным строятся графики в координатах .

По виду полученного графика следует ответить на вопросы:

          а) выполняется ли закон квадратного корня?

          б) имеет ли место запаздывание начала затвердевания?

По полученным данным определить величину коэффициента затвердевания   «К₃» среднего для всех размеров.

Определить графически  величину запаздывания затвердевания, рассчитать толщины затвердевшего слоя по формуле и сравнить с результатами экспериментов.

В отчете должно быть дано краткое описание хода работы, приведены таблицы и графики, а также анализ возможных ошибок в определении коэффициента затвердевания.

Вопросы для самопроверки.

 

1. Какой характер имеет закон изменения толщины затвердевшего слоя отливки во времени?
2. Каков физический смысл коэффициента затвердевания? Какие      факторы определяют его величину?
   1. Каковы методы исследования процесса затвердевания отливок?

         Литература

1. Гуляев Б.Б.   Теоретические основы литейных процессов. – М.:

                            Машиностроение, 1976г.

1. Курдюмов А.В.  Лабораторные работы по технологии литейного     производства. – М.: Машиностроение, 1976г.

Контрольные задания для СРС [1, 3, 5]

1. Какими путями   возможно  обеспечение требуемой (рациональной) направленности  затвердевания фасонной отливки?

2. Какова связь  макроструктуры  отливки  с  шириной  зоны  двухфазного  состояния  металла  при её  затвердевании?

3.  В чем сущность  и   способы реализации    принципа  направленного затвердевания  отливки?

      Практическое занятие №4 «Определение объема и характера усадочных раковин в отливках» (3 часа) 

 

Цель работы: Изучить влияние свойств сплава, других факторов на объем и    характер усадочных раковин.

 

                Общее положение

 

Как известно, суммарный объем образующихся в отливке объемных усадочных дефектов  (раковин и пор) может быть определен по формуле:

                                         (1)

V_р, V_отл – соответственно объем раковины и отливки / по ее наружным очертаниям /;

a⁰_ж, a^л_т – коэффициенты термического сжатия в жидком / объемный / и твердом / линейный / состоянии сплава;

                Е⁰_з – коэффициент усадки при затвердевании;

         Т^т_ср, Т^ж_ср–средние температуры металла соответственно в момент начала образования твердой корки в отливке и в момент ее окончательного затвердевания;

                  Т_кр – температура кристаллизации сплава.

         Известно, что распределение этого объема между сосредоточенной раковиной (одной или несколькими) и усадочной пористостью определяется относительной шириной двухфазной зоны при затвердевании реальной отливки, и поэтому зависит как от состава сплава (интервал кристаллизации), так и от интенсивности охлаждения отливки (перепад температур по сечению). Увеличением интенсивности охлаждения при затвердевании можно достичь сокращения объема усадочных пор и сосредоточения их в концентрированную усадочную раковину.

Применение легкоплавких веществ (стеарин, парафин и др.) позволяет выявить расположение усадочных раковин и усадочной пористости при разрезке отливки уменьшенного размера. Теория подобия позволяет определить,  при каких условиях в моделирующей отливке из легкоплавкого вещества относительный объем и расположение усадочных дефектов соответствуют натурной металлической отливке. Основные условия приближенного подобия включают в первую очередь:

         а. геометрическое подобие натуры и модели;

         б. тепловое подобие, включающее равенство критериев.

К_в = ;     К_L = ;    К;    К

         в. подобие процессов усадки металла и фильтрации жидкой фазы в процессе кристаллизации для компенсации усадки при затвердевании.

Отношение объемов усадочных дефектов натуры   (V_р)_нат   и  модели   (V_р)_мод    определяется соотношением усадки в жидком и твердом состоянии, а также при затвердевании. В наиболее простом случае, когда относительное влияние усадки в жидком и твердом состоянии невелико, можно считать, что

V

                         Для определения объема усадочных пустот предложены многочисленные пробы.    Объем концентрированных раковин определяется следующими путями: заполнением их сухим песком и жидкостью с малым поверхностным натяжением и низкой вязкостью (керосин, спирт, вода); разрезкой образцов с последующим определением объема или площади сечения раковины  и т.д.

Объем усадочных раковин определяется и расчетным путем на основе сопоставления объема и веса образца плотного металла, отрезанного от нижней части пробы.

В данной работе применяется способ прямого измерения объема усадочных раковин – заполнение их керосином из мерной бюретки.

Для этого необходимо получить в образце концентрированную усадочную раковину. Проба представляет собой конус высотой 115 мм с диаметром 100 мм вверху и 36 мм внизу. Заливка  производится в сухие формы из быстросохнущей смеси на жидком стекле. Сверху в форму устанавливают теплоизолирующий стержень из  смеси с древесными опилками.         Получению открытой усадочной раковины способствует выступ на верхней плоскости образца. Чтобы верхнюю плоскость конуса, являющуюся базовой при измерении объема раковины, сделать ровной, в нижнюю часть стержня устанавливают кольцевой чугунный холодильник. Теплоемкость его мала вследствие малой толщины, поэтому холодильник не оказывает заметного влияния на направленность затвердевания пробы, но в то же время действует достаточно эффективно для образования прочной корочки, исключающей возникновение внешней раковины. Таким образом, базовая верхняя плоскость конуса становится ровной, а раковина формируется внутри образца в его центральной части.

После прямого измерения объема усадочной раковины  V _р    в образцах, рассчитывают относительную их величину   v_р     по формуле:

            Объем каждого образца       / V _обр/  находят по разности весов пробы на воздухе      Q_в      и в жидкости     Q_ж    с определенной плотностью  _ж / г / см³ /

                                                , см³

         Определение относительного объема концентрированной раковины   V _к и пористости      _n     проводится путем сопоставления объема и    Q _в    веса образца с плотностью    _м    металла, не имеющего дефектов, отрезанного от нижней части пробы

        Объем    V _n     включает объем пор, образованных выделением газов из металла, поэтому при определении величины усадочных пор пробы должны заливаться раскисленным  металлом.

 

         Порядок выполнения работы

 

При исследовании влияния конфигурации отливки расплав моделирующего вещества заливают с одинаковым перегревом и одинаковой скоростью заполнения  в три металлические формы, имеющие конфигурацию цилиндра и усеченной пирамиды, обращенной основанием вверх и вниз. После затвердевания отливок их разрезают и  определяют характер и расположение усадочных пустот. С помощью линейки на разрезанной отливке наносятся линии на различных расстояниях от верхнего края и измеряются координаты контура  усадочной раковины относительно боковой поверхности.

При изучении влияния перегрева расплав заливают в одинаковые цилиндрические формы с определенной скоростью, но с различной температурой перегрева над ликвидиусом  в пределах от 2 до 50⁰С.

        

Вопросы для самопроверки

1. Каков механизм  образования объемных усадочных дефектов раковин и пор?
2. Что такое усадка в жидком, твердом состоянии и при затвердевании?
3.  Как определяется объемная усадка при затвердевании сплавов, кристаллизирующихся в интервале температур?
4. Что такое зона двухфазного состояния в затвердевающей отливке, как определяются ее границы?

 

         Литература

1.Гуляев Б.Б.   Теоретические основы литейных процессов. – М.:

                            Машиностроение, 1976.

2.Курдюмов А.В.  Лабораторные работы по технологии литейного     производства. – М.: Машиностроение, 1976.

Контрольные задания для СРС [1, 5, 19]

1. Перечислите способы, которыми можно уменьшить размеры прибылей и расход металла на них.

2. Какими способами можно увеличить  протяженность  зоны эффективного  действия прибылей на отливках?

3. Какие варианты расположения отливки в форме дают возможность получить ее без усадочных раковин с помощью одной прибыли?

Лабораторная работа №5 «Влияние условий охлаждения на характер распределения объемных усадочных дефектов в литых изделиях» (3часа)

 

Цель работы: Изучить закономерности образования объемных усадочных       дефектов в отливках, факторы, влияющие на характер их распределения в отливке.

 

            Общее положение

         Условия охлаждения определяют также место расположения усадочных полостей в отливке. Как правило, сосредоточенные раковины располагаются несколько выше местоположения тепловых узлов отливки, что обуславливается перемещением жидкого металла в затвердевающей отливке под действием гравитационных сил.

Таким образом, различие теплофизических свойств отдельных частей формы может влиять на характер усадочных дефектов и их расположение в отливке [5]. На расположение усадочных раковин и соотношение их размеров, очевидно, влияет и конфигурация отливки.

Места расположения усадочных раковин в отливках и их форму можно определить, пользуясь методом графического построения с помощью изосолид (рис. 1.).

Конфигурация сосредоточенной раковины в цилиндрической отливке приближенно описывается уравнением [5] (рис. 2).

                                                                                (1)

где  h _р , r – координаты точек поверхности усадочной раковины соответственно по глубине и радиусу отливки;

       H,  R – соответственно высота и радиус отливки;

            E ₃ – коэффициент усадки при затвердевании;

            — коэффициент, зависящий от соотношения скоростей затвердевания донной и боковой поверхностей цилиндра.

         Содержание работы:

1. Графическое построение усадочных раковин   методом изосолид.

2. Расчет объема и размеров усадочных раковин  (по уравнениям (I) и (II)).

3. Отливка образцов разной конфигурации в   формы с различными

условиями охлаждения, определение объема и размеров  усадочных раковин

в экспериментальных образцах.

4.  Проверка сходимости результатов расчетов и  экспериментов.

         Оборудование, оснастка, приборы: печи для плавки модельных сплавов; формы для отливки образцов; мерные бюретки; приспособления для разрезки образцов; мерительный инструмент приборы контроля температуры.

 

         Порядок проведения работы

1.Пользуясь методом изосолид,  построить  схемы образования усадочных раковин и определить их размеры для заданных отливок. Построение вести с шагом слоев 2,5 мм, коэффициент усадки принять  E₃ = 4%.

2. Для заданных образцов  рассчитать по формуле (I) размеры и конфигурацию усадочных раковин. Значения    Т_ср^ж,    Т_кр,    ⁰_ж,    Е₃,    ^л_т принять по таблице характеристик модельного сплава и заданным температуре заливки и условиям охлаждения

            Расплавить модельный сплав, довести его температуру до 110⁰С и залить формы образцов по заданному варианту конфигурации и условий охлаждения.

       4. Извлечь отлитые образцы из форм, с помощью мерной бюретки измерить объем усадочных раковин путем заполнения их водой. Вначале  замеряется объем открытых раковин, для определения объема закрытых раковин проколоть отверстия в перемычке и повторить измерение.

5. Разрезать образцы по осевой плоскости, зарисовать конфигурацию и расположение усадочных раковин. Оценить визуально характер и относительную ширину зоны усадочной пористости.

6. Сравнить результаты обмера экспериментальных образцов с данными расчетов и графических построений, оценить их сходимость. Сравнить дефекты в образцах одинаковой конфигурации, полученных при разных условиях охлаждения.

 

            Содержание отчета

1.  Введение

2. Расчеты и графические построения усадочных раковин

3. Списание методики экспериментов

4. Результаты опытов: рисунки разрезов образцов с указанием размеров и

расположения раковин, таблицы объемов и размеров раковин: в относительных единицах

5. Выводы о влиянии конфигурации отливки и условий охлаждения на характер, распределения усадочных пустот.

         Вопросы для самопроверки

1. От каких факторов зависит объем и распределение усадочных раковин?

2. Как теплофизических свойств отдельных частей формы могут влиять на характер усадочных дефектов и их расположение в отливке?        

3.Как, пользуясь методом графического построения с помощью изосолид, определить расположение и объем усадочных раковин?

         Литература

1. Гуляев Б.Б.   Теоретические основы литейных процессов. – М.: Машиностроение, 1976.

2. Курдюмов А.В.  Лабораторные работы по технологии литейного     производства. – М.: Машиностроение, 1976.

Контрольные задания для СРС [4, 5, 8]

1.  Какими способами  можно предотвратить образование усадочной  пористости в отливке из сплава с широким интервалом температур кристаллизации?

2.  Какими способами можно  увеличить величину дистанции  действия прибыли на отливке?

3. В каком месте и какой конфигурации может быть усадочная раковина в отливке шара, получаемого в металлической форме без применения прибылей?

                                                   

         Лабораторная работа № 6 (3 часа): «Исследование процесса образования остаточных напряжений в отливках»

 

Цель работы: Исследовать влияние технологических факторов на величину   остаточных напряжений в отливках.

         Общие положения

Внутренние напряжения в отливках возникают вследствие неравномерного и неодновременного протекания температурного сокращения (усадки) их частей при охлаждении. В зависимости от факторов, обусловливающих неравномерность усадки и возникновение напряжений, их подразделяют на три вида:

— температурные,  фазовые,  механические.

В отливках произвольной конфигурации различают два типа температурных напряжений:. напряжения, обусловленные силовым взаимодействием частей отливки, которые приобретают в процессе охлаждения различные средние температуры вследствие разной толщины или условий охлаждения; напряжения, обусловленные перепадом температур между наружными и внутренними слоями металла по сечению элементов (стенок) остывающей отливки.

Напряжения первого типа характерны для мелких отливок, имеющих сложную конфигурацию, а напряжения второго типа – для крупных отливок, имеющих толстые стенки. Внутренние напряжения могут быть временными и остаточными. Для инженерных расчетов остаточных напряжений используют  расчетную схему, приведенную ниже.

По этой схеме в отливке, состоящей из связанных между собой толстого и двух тонких брусьев,  в конце охлаждения возникнут растягивающие  (в толстом) и сжимающие (в тонких брусьях) остаточные напряжения, которые рассчитываются по формулам:

а) для толстого бруса ( растягивающие )

                                                                                             (1)

     б) для тонких брусьев (сжимающие)

                                                                                             (2)

где                  Т₁ –Т₂    — разность температур брусьев отливки в момент

                                        перехода их в   упругое состояние;

                       a_Т  — коэффициент линейной усадки сплава;

                       Е  — модуль упругости;

                        f  — сечение тонкого бруса;

                        F  — сечение толстого бруса.

         С достаточной для приближенных расчетов точностью можно принять ,     где            — максимальная разность температур брусьев решетки.

Эту величину можно определить расчетным путем. Известно, что текущая температура отливки или ее части, охлаждающейся в форме, определяется по формуле

                                                                                                                (3)

где          — текущая и начальная избыточные температуры, т.е.      отсчитываемые    от температуры среды как от нуля;

                          — время;

                         К — коэффициент, характеризующий скорость охлаждения, величина которого:

                                                                                                                    (4)

где       a  —  коэффициент теплоотдачи;

         с, d  —  удельная теплоемкость и плотность материала отливки;

         —  приведенный размер отливки.

           Для толстых и тонких стержней решетки можно записать:

                                                                                     (5)

где   — текущая температура толстого и тонкого бруса         соответственно

К₁, К₂  -коэффициенты охлаждения толстого и тонкого бруса

 

Приравнивая к нулю первую производную выражения (5), определяем  величину максимальной разности температур.

                                                     (6)

Обозначим

Тогда можно записать

                                                                            (7)

где            R₁, R₂ – приведенный размер толстого и тонкого стержня    соответственно;

                      – температура толстого стержня;

                      – температура тонкого стержня.

 Из выражения (7) вытекает, что величина разности температур, а следовательно, и остаточных напряжений, будет зависеть от соотношения толщин толстого и тонкого стержня и от температуры .

Для экспериментального исследования величины остаточных температурных напряжений в отливках используют технологические пробы – усадочные решетки, которые состоят из сочлененных толстых и тонких брусьев, и имеют различную конфигурацию.

          Для упрощения расчета напряжений в прямоугольной решетке не учитывают изгибающий момент в перекладинах. Без учета деформации перекладин расчет сводится к следующему.

         В условиях равновесия, установившегося в объеме всей решетки

                                                                                                          (8)

откуда

                                                                                                              (9)

где                    F ,  f — сечение толстого  и тонкого бруса;

                       G_1,  G₂ –  напряжения в толстом и тонком брусе.

Напряжения G₂ вызывают упругие деформации сжатия в тонких брусьях           , напряжения  G₁ вызывают деформации растяжение в толстом брусе .

                                                                                     (10)

Если разрезать толстый брус, то напряжения снимутся, и брусья перейдут в ненапряженное состояние, в результате чего в  них произойдут обратные упругие деформации.

Абсолютное изменение размеров брусьев будет соответствовать величине упругих деформаций      и       т.е.

                                                                                         (11)

Выразив     G₂     через      G₁,       получим

                                                                                                          (12)

откуда

                                                                                                      (13)

где                 — длина тонких и толстых брусьев решетки;

                    Е  — модуль упругости.

Определение напряжений в круглой решетке ведется по следующей формуле

                                                                                                       (14)

где R – средний радиус кольца решетки;

       r – радиус сечения;

       – остаточная деформация.

    Содержание работы

1. Расчет остаточных напряжений по разности температур в отливке.
2. Экспериментальное определение остаточных напряжений и сравнение результатов расчета и эксперимента.

     Оборудование, оснастка, приборы

 

Печь для плавки сплавов, формовочная смесь, модельные плиты, опоки, инструмент для разрезки решеток, измерительный столик, штангенциркуль.

Порядок проведения работы

        1. По модельным плитам в парных опоках изготовить формы прямоугольных и круглых усадочных решеток. Диаметры центральных брусьев в каждой форме должны быть различными и составлять 20, 25, 30, 35, 40 мм

( по указанию преподавателя).

        2. Залить формы алюминиевым сплавом при указанной температуре.

        3. Охладить отливки до комнатной температуры и извлечь из формы, освободить от пригара, отделить литники.

4. Зачистить напильником или шкуркой площадки для измерения остаточной упругой деформации.

       5. Измерить сечения брусьев решеток.

       6.  Измерить размеры Б и Б₁ на решетках, размер Б измерять штангенциркулем, а Б₁ – на измерительном столике, как показано на рис.3. Каждое измерение провести трижды, результаты усреднить.

7. Разрезать толстый брус по линии А и снова измерить размеры Б и Б₁, как указано в п.6.

 

Оформление работы

 

1. Рассчитать остаточные напряжения в отливках, исходя из соотношения толщин тонких и толстых брусьев.

2.  Рассчитать остаточные напряжения по результатам измерений остаточной упругой деформации отливок.

3. Построить графики зависимости остаточных напряжений от диаметра центрального бруса по данным расчетов и экспериментов.

4. Сравнить полученные экспериментальные данные с данными, полученными расчетным путем, дать объяснение возможным расхождениями результатов.

Вопросы для самопроверки

1. Причины возникновения внутренних     напряжений в отливках.

2. Как распределяются остаточные напряжения в объеме отливки:

а) по сечению стенки;

б) между тонкими и толстыми элементами.

1. Что такое усадочная решетка. Виды усадочных решеток.
2. Механизм изменения внутренних напряжений в ходе охлаждения разностенной отливки (на примере усадочной решетки).

Методика экспериментального определения остаточных напряжений.

 

         Литература

1.  Б.Б. Гуляев. Теория литейных процессов — М.: Машиностроение, 1976г.

1. А.В. Курдюмов. Лабораторные работы по технологии литейного производства. – М.: Машиностроение, 1970г.

 

Контрольные задания для СРС [8]

1. Какими средствами  можно предотвратить образование горячих трещин в отливке?

2.Каковы внешние признаки горячей трещины?

3.Какими мерами можно предотвратить или уменьшить коробление отливок?

 

 

 

 

5 Тематический план самостоятельной работы студента с преподавателем

 

Наименование темы СРСП	Цель занятия	Форма проведения занятия	Содержание задания	Рекомендуемая литература
1	2	3	4	5
Тема 1. Расчеты процессов гравитационного и принудительного заполнения форм	Углубление знаний по данной теме	Решение задач	Расчитать процесс гравитационного и принудительного заполнения форм	[2, 11]
Тема 2. Расчеты процесса охлаждения и температурных полей отливки	Углубление знаний по данной теме	Решение задач	Рассчитать процесс охлаждения и температурных полей отливки	[8, 11]
Тема 3. Расчет затвердевания металла литых изделий	Углубление знаний по данной теме	Решение задач	Рассчитать затвердевание металла литых изделий	[2, 3, 6]
Тема 4. Расчеты объемных дефектов и параметров элементов питания металлических изделий	Углубление знаний по данной теме	Решение задач	Рассчитать объемные дефекты и параметры элементов питания металлических изделий	[2, 3, 6]
Тема 5. Расчеты усадочных напряжений и деформаций в литых изделиях	Углубление знаний по данной теме	Решение задач	Рассчитать усадочные напряжения и деформации в литых изделиях	[2, 5, 7, 11, 12]

 

6 Материалы для контроля знаний студентов в период рубежного контроля и итоговой аттестации

 

6.1 Тематика письменных работ по дисциплине

Тематика рефератов

1. О роли деглобулязирующих элементов  в составе модифицирующих присадок для производства чугуна с вермикулярным графитом.
2. Совершенствование технологии выплавки высокомарганцовистой стали 110Г13Л.
3. Комплексное решение вопросов повышения качества литых заготовок.
4. Жаропрочные конструкционные материалы.
5. Структурообразование кристаллизующихся систем при модифицировании их ультрадисперсным порошком.
6. Влияние электрического тока на кристаллизацию алюминиевого сплава.
7. Износостойкость чугуна с графитовыми включениями различной формы.
8. Структура и свойства жаростойких хромоалюминиевых сталей.
9. Радиационно– и коррозионно–стойкие чугуны и каменные отливки.
10.  Кокили из композиционных материалов.
11.  Управление формированием отливок при литье выжиманием.
12.  Иммледование процессов усвоения легирующих материалов с учетом движения металла.
13.  Компьютерное моделирование газовыделения при охлаждении отливок в формах холодного твердения.
14.  От чего зависит колокольный звон.
15.  Колокольный звон из прошлого в будущие.
16.  О новых тенденциях развития литейного производства.
17.  Синтез новых конструкционных материалов и прогрессивных технологий литья.
18.  Кристаллизация первичных карбидов хрома в высокохромистых заэвтектических чугунах.
19.  Влияния углеродного эквивалента на образование газовой пористости в чугунных отливках.
20.  Влияние углерода и кремния на структурообразования заэвтектоидной стали.
21.  Биметаллическое литье.
22.  Получение плотных отливок из модифицированных силуминов.
23.  О внутреннем холодильнике для стальных отливок.
24.  Литейное производство сегодня и завтра.

 

6.2 Вопросы для самоконтроля

1. X = K₃. От чего в представленной формуле закона затвердевания отливок зависит коэффициент K₃  ?

2.     Какими средствами  можно предотвратить образование горячих трещин в отливке?

3. При каких условиях  тела  при охлаждении относят к теплотехнически  «тонким»?

4. q = µf. От  каких параметров  литниковой системы  зависит  коэффициент µ в  приведённой формуле?

5.    При помощи  чего задерживаются в литниковой системе  макроскопические неметаллические включения, плотность которых меньше плотности расплава?

6. Какие дефекты  в отливках  позволяет предотвратить  кристаллизация  под  всесторонним газовым давлением  и почему?

7.    Перечислите способы, которыми можно уменьшить размеры прибылей и расход металла на них.

8.   Какими способами  можно предотвратить образование усадочной  пористости в отливке из сплава с широким интервалом температур кристаллизации?

9. При  каких  условиях  возможно задержание макроскопических включений в литниковой системе ?

10. При  каких условиях должна определяться  практическая   жидкотекучесть сплавов разного состава?

11.Какова связь  макроструктуры  отливки  с  шириной  зоны  двухфазного  состояния  металла  при её  затвердевании?

12.  Какими способами можно увеличить  протяженность  зоны эффективного  действия прибылей на отливках?

13.  В чем сущность  и   способы реализации    принципа  направленного затвердевания  отливки?

14. Какие последствия для качества отливки имеет несовпадение ожидаемой (запроектированной) и реальной величины затруднённой усадки элемента отливки?

15. .  Что описывает приведенная формула?

16. По мере заполнения формы, показанной на рисунке, скорость истечения металла из питателя:

А) увеличивается;

В) уменьшается;

С) остаётся неизменной.

17. При каких параметрах литниковой системы обеспечивается задержание макроскопических неметаллических включений в прямом шлакоуловителе?

18. Изменяется ли и если да, то как, скорость течения металла в ходе заливки форм 1 и 2  при одинаковой

высоте верхней полуформы:

А) в 1 увеличивается, во 2 не изменяется;

В) во 2 увеличивается, в 1 уменьшается;

С) в 1 не изменяется, во 2 увеличивается;

Д) в 1 и во 2 не изменяется;

Е) в 1 не изменяется, во 2 уменьшается.

19. Отливка, показанная на рисунке, претерпевает по высоте свободную усадку, а по диаметру  –    затруднённую. Какими должны быть выполнены на модели размеры H и D, если на отливке H=500 мм,

D=600мм, свободная усадка равна 2 %, затрудненная -1 %.

А) H=510 мм; D=606 мм;

В) H=520 мм; D=612 мм;

С) H=510 мм; D=610 мм;

Д) H=505 мм; D=606 мм;

Е) H=500 мм; D=600 мм.

20. В какой из указанных отливок одинакового объема и высоты, усадочная раковина имеет наибольшую

 

 

глубину:

А) в отливке 1;

В) в отливке 2;                1        h            2          h              3           h

С) в отливке 3

Д) глубина во всех отливках одинакова;

21. Для обеспечения эффективного задержания металлических включений в литниковой системе  прямой шлакоуловитель при заливке формы должен быть заполнен расплавом:

А) на 1/3 высоты; В) на 1/2 высоты; С) на всю высоту.

22. Для чего применяется литье с кристаллизацией под поршневым давлением?

23. Для получения отливки без усадочных раковин необходимо, чтобы:

А) прибыль затвердевала одновременно с отливкой;

В) прибыль затвердевала позже отливки;

С) прибыль затвердевала раньше отливки.

24. Понятие «термический узел» относится к частям отливки:

А) затвердевающим   раньше соседних, расположенных  выше и рядом;

В)  затвердевающим позже соседних, расположенных выше;

С) затвердевающим при воздействии на отливку внешним давлением или другими силами.

25    Возникновение каких дефектов  в отливках вызывается    затруднением  усадки формой?

26. Для чего служит понятие «интенсивность теплообмена» тела со средой?

27. Что обеспечивает  создание «конусности питания» на отливке?

28.    От чего зависит  время заполнения формы металлом при подводе сверху?

29. Какие варианты расположения отливки в форме дают возможность получить ее без усадочных раковин

с помощью одной прибыли?

А) только 1;

В) только 3;

C) все три.

 

30. τ_ф = .  Какая величина  указана в числителе данной формулы?

31. Какие неметаллические включения в отливках называют пленочными, как они образуются?

32. Как повлияет  увеличение ширины зоны двухфазного состояния металла при затвердевании отливок на объем и характер        усадочных дефектов  в них?

33.    Какими способами можно  увеличить величину дистанции  действия прибыли на отливке?

34. τ = ()².  Для чего служит приведенная формула?

35. Нестабильность линейной усадки отливки является причиной:

А) горячих  и  холодных трещин;    В) усадочной пористости;   С) неточности размеров отливки;

Д) снижения прочности отливки.

36. Понятия «приведенный размер»  отливки или ее части  характеризует:

А) только  их  размеры;     В) размеры и конфигурацию;     С) только конфигурацию;    Д) расположение в форме.

37. Каково  соотношение величин скоростей течения металла в питателе в конце заполнения форм 1 и 2

при условии а₁  = а₂ ?.

А) в форме 1 больше, чем в 2;

В) скорости одинаковы;

С) в форме 2 больше, чем в 1;

38.В каких местах отливки, показанной на рисунке,  образуются усадочные раковины (без

учёта действия прибылей)?

39.Каково соотношение свободной и затруднённой усадки отливки по величине?

40. τ_ф =     Что  в приведённой формуле означают величины  μ и f ?

41. При каком изменении ширины зоны двухфазного состояния при затвердевании отливок количество

усадочных пор в них   увеличивается?

42. Чем отличались бы усадочные  раковины в отливке, полученной на Луне и     изготовленной в земных условиях?

43. x   = К.  Что   описывает  представленная формула?

 

44.   = ?         Какая величина определяется указанной  формулой?

45. Какие  технологические и конструктивные параметры  влияют на скорость охлаждения отливки в форме?

46. Будет ли изменяться скорость  входа металла в форму, заполняемую снизу под  давлением газа постоянной величины  (Р_газа = const),  по мере        заполнения формы?

47.   При помощи  чего можно задерживать  в литниковой системе  макроскопические неметаллические включения, имеющие плотность больше  плотности расплава?

48. Каким образом можно  определить истинную линейную усадку отливки?

49. От чего зависит скорость истечения металла в выпускном отверстии   стопорного ковша   при его опорожнении?

50. Чему равен гидростатический напор при заливке формы с подводом металла снизу?

51. В каком месте и какой конфигурации может быть усадочная раковина в отливке шара, получаемого в

металлической форме без применения прибылей?

 

52. τ_з =  .     В указанной формуле R _пр означает:

53. Какие факторы вызывают   колебание величины  линейной усадки отливки?

54.Для  чего необходимо знать приведенный размер отливки, как его определить?

55. Где   на отливке должна находиться прибыль, чтобы ее действие  было эффективным?

56.  От каких факторов зависит время заполнения формы металлом при подводе сверху?

57. Формула для приближенного расчета времени полного затвердевания отливки имеет вид:

А) = R_пр / K_з)³;    В)  = R_пр  / K₃)²;    С)  = R_пр  · K₃)^2.

58. По мере заполнения формы, показанной на рисунке, скорость истечения металла из питателя

 

А) увеличивается;  В) уменьшается;

С) остается неизменной.

 

 

 

59.Какими способами можно предотвратить попадание в отливку пленочных неметаллических включений?

60. Чему равна температура металла в зоне его двухфазного состояния?

61. Какие типы фильтрующих элементов находят применение для  предотвращения  макроскопических неметаллических включений в отливках?

62. Вследствие  каких факторов открытая усадочная раковина в отливке, затвердевающей в земных условиях,    приобретает конфигурацию     конуса?

63.      Каковы внешние признаки горячей трещины?

64. В теплотехнически «толстых» телах перепад температур между центром и поверхностью тела:

А) намного меньше разности температуры поверхности тела и среды;

В) намного больше разности температуры поверхности тела и среды;

С) не зависит от абсолютной температуры тела.

65. . Формула используется для определения времени заполнения формы

А) при подводе питателя снизу;  В) при подводе питателя сверху; С) при подводе питателя сбоку;

Д) при принудительном заполнении.

66. В зоне двухфазного состояния металла  затвердевающей отливки

А) количество твердой и жидкой фаз одинаково во всем  ее объеме; В) количество твердой фазы больше в областях с более низкой температурой; С) количество твердой фазы не зависит от температуры сплава.

67.  Где  расположится      усадочная раковина  при последовательном затвердевании отливки в условиях идеальной невесомости?

68. Меняется  ли расход  металла в выпускном  отверстии  стопорного ковша  по мере его опорожнения?

69. Чему равен гидростатический напор в питателе заливаемой формы  при подводе металла сверху?

70. Каким должен быть на модели отливки размер, который после её полного охлаждения должен равняться 525 мм, если  линейная усадка сплава, из которого она изготавливается, составляет 2%.?

А) 527,5 мм;  В) 530,5 мм;  С) 535,5 мм.

71. Что образуется  в отливке при  ее объемном затвердевании  в условиях идеальной невесомости?

72.  Каким способом можно обеспечить получение в отливке в виде шара усадочной раковины точно в её геометрическом  центре?

73. Какими способами можно увеличить заполняемость формы расплавом металла?

74. Как происходит переход металла отливки из жидкого состояния в твердое при объемном  характере ее затвердевании?

75. Что представляет собой и с чем связано предусадочное  расширение отливок?

76.  Что понимают под температурным интервалом хрупкости (ТИХ)?

77. Какими мерами можно предотвратить или уменьшить коробление отливок?

78. Что является причиной  коробления отливок?

79. В какой последовательности закончится заполнение металлом показанных на рисунке форм отливок

одинакового объема через одинаковые литниковые системы при одинаковой высоте верхней опоки?

80. Какую макроструктуру литого металла может обеспечить кристаллизация при строго направленном

теплоотводе?

81. В чем  заключается эффект воздействия вибрации  на кристаллизующий металл и каков его  результат?

82. Как изменится макроструктура литого металла после механического перемешивания в процессе

кристаллизации?

83. В чем сущность и достигаемый эффект  способа литья с вводом микрохолодильников («суспензионного литья»)?

84. Каким должно быть максимальное расстояние между смежными прибылями на отливке или её  части?

85. Каким способом осуществляется  высокоскоростная направленная кристаллизация металла при получении литых изделий?

86. Что представляет собой  осевая усадочная пористость,   какими способами ее образование можно предотвратить?

87. При каких условиях в литых изделиях образуется рассеянная (внеосевая)  усадочная пористость?

88. В каких отливках  образуется осевая усадочная  пористость,  что является  причиной ее образования?

89. Какими способами можно уменьшить размеры прибылей и расход металла на них?

90. В каких случаях  затвердевание металла отливки происходит  строго последовательно, какой при этом получается ее макроструктура?

91. Что  является мерой жидкотекучести сплавов?

92. При каких  условиях определяется истинная текучесть сплавов различного состава?

93. Как  должно происходить затвердевание отливки для обеспечения эффективного питания (предотвращения   объёмных  усадочных дефектов)?

94. Типы холодильников для ускорения затвердевания и охлаждения утолщённых частей отливок, примеры применения.

95. Как выполняются и что обеспечивают в  отливках прибыли, действующие под атмосферным  давлением?

96. За  счет чего действуют прибыли под газовым давлением?

97.  Какими путями   возможно  обеспечение требуемой (рациональной) направленности  затвердевания фасонной отливки?

98. Что относится  к  числу вредных последствий действия внутренних напряжений в отливках?

99. Как может проявиться    действие остаточных напряжений в литом изделии?

100. Как предотвратить или уменьшить образование рассеянной (внеосевой) усадочной пористости в литых изделиях?

 

6.3 Экзаменационные билеты (тесты)

Тесты

1. . В представленной формуле закона затвердевания отливок коэффициент К₃ зависит

A) только от свойств материала;

B) только от температуры кристаллизации сплава от свойств формы и сплава;

C) от свойств формы и сплава;

 

2. Выделите неправильный ответ. Предотвратить образование горячих трещин в отливке можно:

A) уменьшением торможения усадки формы;

B) выполнением усадочных ребер в медленно охлаждающихся частях отливки;

C) рассредоточением линейной усадки специальными приливами и поперечными ребрами;

3. В теплотехнически «тонких» телах перепад температур внутри тела

A) намного больше разности температур поверхности тела и среды;

B) намного меньше разности температур поверхности и среды;

C) примерно равен разности температур поверхности и среды;

4. . В приведенной формуле m зависит от

A) длины и сложности конфигурации каналов литниковой системы;

B) напора;

C) высоты отливки;

5. Выделите неправильный ответ. Макроскопические металлические включения задерживаются в литниковой системе при помощи

A) формованных фильтровальных элементов (сеток);

B) стеклотканевых фильтров;

C) питателей увеличенного сечения;

D) зернистых фильтров.

6. Литье с кристаллизацией под всесторонним газовым давлением применяется для

A) предотвращения холодных трещин;

B) повышения точности размеров отливок;

C) уменьшения усадочной пористости;

7. Выделите неправильный ответ. Уменьшить размеры прибылей и расход металла на них можно путем

A) обогрева прибылей;

B) ускорения охлаждения отливки;

C) перемешивания металла в прибыли;

D) доливки прибыли металлом;

8. Выделите неправильный ответ. Усадочную пористость в отливке из сплава с широким интервалом температур кристаллизации можно предупредить

A) установкой большой прибыли;

B) применением литья с всесторонним газовым давлением;

C) литьем с направленным теплоотводом;

D) центробежным литьем;

9. Задержание макроскопических включений в литниковой системе возможно, если они при движении в потоке расплава

A) тонут;

B) всплывают;

C) находятся в безразличном равновесии;

10. Под практической жидкотекучестью сплавов понимают жидкотекучесть, определяемую при

A) одинаковом перегреве над температурой ликвидус;

B) одинаковой температуре заливки;

C) одинаковом перегреве над температурой нулевой текучести;

11. При увеличении ширины зоны двухфазного состояния металла затвердевающей отливки ее макроструктура меняется следующим образом

A) увеличивается ширина зоны столбчатых кристаллов;

B) увеличивается ширина зоны мелких разноосных кристаллов;

C) увеличивается ширина зоны крупных разноосных кристаллов;

12. Выделите неправильный ответ. Эффективность действия прибылей на отливках можно повысить путем

A) применения атмосферного давления;

B) вращения формы;

C) поршневого давления;

D) захолаживания металла  в прибыли;

13. Принцип направленного затвердевания при формировании отливки предполагает обеспечение условий для

A) одновременного затвердевания частей отливки, имеющих разную толщину;

B) затвердевания вышележащих частей отливки раньше нижележащих;

C) затвердевания вышележащих частей отливки позже нижележащих;

14. Какие последствия для качества отливки имеет несовпадение ожидаемой (запроектированной) и реальной величины затрудненной усадки элемента отливки

A) снижение прочности отливки;

B) образование усадочной пористости в элементе отливки;

C) недолив;

D) несоответствие размеров отливки чертежу;

15. . Приведенная формула служит для описания

A) процесса роста  толщины затвердевающей корки металла в отливке;

B) процесса заполнения формы металлом;

C) процесса охлаждения отливки в форме и на воздухе;

D) процесса распространения тепла в форме;

16. По мере заполнения формы, при подводе питателя снизу, скорость истечения металла из питателя

A) увеличивается;

B) уменьшается;

C) остается неизменной;

17. Задержание макроскопических неметаллических включений в литниковой системе возможно

A) при высоте питателей не меньше расчетной;

B) при высоте питателей не больше расчетной;

C) при расположении питателей ближе расчетного расстояния от стояка;

 

18. Изменяется ли и если да, то как, скорость течения металла в ходе заливки форм I и 2 при одинаковой высоте верхней полуформы (форма 1-подвод металла сверху;форма 2-подвод металла снизу)

A) в I увеличивается, в 2 не изменяется;

B) в 2 увеличивается, в I уменьшается;

C) в I не изменяется, в 2 увеличивается;

D) в I и 2 не изменяется;

E) в I не изменяется, в 2 уменьшается.

19. Отливка  претерпевает по высоте свободную усадку, а по диаметру – затрудненную. Какими должны быть выполнены на модели размеры Н и Д, если на отливке Н=500 мм, Д=600 мм, свободная усадка равна 2%, затрудненная 1%

A) Н=510 мм; Д=606 мм;

B) Н=520 мм; Д=612 мм;

C) Н=510 мм; Д=610 мм;

20. Где должна находиться прибыль на отливке

A) на одном уровне с питаемым местом;

B) выше питаемого места;

C) ниже питаемого места;

21. Для обеспечения эффективного задержания металлических включений в литниковой системе прямой шлакоуловитель при заливке формы должен быть заполнен расплавом

A) на 1/3 высоты;

B) на 1/2 высоты;

C) на всю высоту;

22. Выделите неправильный ответ. Литье с кристаллизацией под поршневым давлением позволяет

A) увеличить плотность металла отливки;

B) увеличить величину линейной усадки металла отливки ;

C) уменьшить величину усадочной пористости в отливке;

23. Для получения отливки без усадочных раковин необходимо, чтобы

A) прибыль затвердевала одновременно с отливкой;

B) прибыль затвердевала позже отливки;

C) прибыль затвердевала раньше отливки;

24. Понятие «термический узел» относится к частям отливки

A) затвердевающим раньше соседних выше и рядом лежащих;

B) в которых образуются холодные трещины;

C) затвердевающим позже соседних выше и рядом лежащих;

25. Выделите неправильный ответ. Затруднение усадки формой вызывает следующие дефекты в отливках

A) трещины горячие;

B) трещины холодные;

C) пористость усадочную;

D) искажение геометрии отливок.

26. Понятие «интенсивность теплообмена» служит для

A) обозначения абсолютной скорости охлаждения или нагрева тела;

B) обозначения отношения перепадов температур внутри тела и на его поверхности;

C) обозначения геометрических параметров тела;

27. Создание «конусности питания» на отливке обеспечивает

A) отсутствие усадочной пористости;

B) отсутствие трещин;

C) правильность линейных размеров отливки;

28. Выделите неправильный ответ. Время заполнения формы металлом при подводе сверху зависит от

A) величины гидростатического напора;

B) площади сечения литниковых каналов;

C) ширины и длины полости формы;

29. Какие варианты расположения отливки в форме дают возможность получить ее без усадочных раковин с помощью одной прибыли

A) только  утолщением кверху;

B) только утолщением книзу;

C) только утолщением сбоку;

30. . Величина в числителе данной формулы означает

A) скорость течения металла в литниковой системе;

B) вязкость металла;

C) объем заливаемого в форму металла;

31. Пленочные неметаллические включения представляют собой

A) частицы краски формы;

B) частицы содержащие тугоплавкие шлаки металла;

C) частицы состоящие из окислов металла типа Cr₂O₃,  Al₂O₃;

32. При увеличении ширины зоны двухфазного состояния металла при затвердевании отливок объем усадочных раковин в них

A) увеличивается незначительно;

B) уменьшается;

C) не изменяется;

33. Выделите  неправильный ответ. Увеличить зону действия прибыли можно

A) путем применения наружных и внутренних холодильников;

B) путем изменения конфигурации отливки;

C) не изменяется;

D) увеличивается существенно;

34. . Приведенная формула служит для приближенного определения

A) времени затвердевания формы;

B) времени охлаждения отливки;

C) времени полного затвердевания отливки;

35. Нестабильность линейной усадки отливки является причиной

A) горячих трещин;

B) холодных трещин;

C) неточности колебания размеров отливки;

36. Понятие «приведенный радиус» характеризует

A) только размеры тела;

B) размеры и конфигурацию тела;

C) только конфигурацию тела;

37. В какой из отливок одинакового объема и высоты образуется открытая усадочная раковина наибольшей глубины

A) в цилиндрической;

B) в конической, утолщенной книзу;

C) в конической, утолщенной кверху;

D) глубина раковин во всех отливках одинакова;

38. Сколько усадочных раковин и в каких местах в фасонной отливке образуется при отсутствии прибыли

A) одна, в верхней части отливки;

B) одна в утолщенной части отливки;

C) одна в тонкой части отливки;

39. Каково соотношение свободной и затрудненной усадки отливки по величине

A) затрудненная больше свободной;

B) затрудненная меньше свободной;

C) величины усадок одинаковы;

40. . Величина m в приведенной формуле означает

A) отношение высоты верхней части полуформы к высоте отливки;

B) относительное значение площади литника;

C) коэффициент расхода в литниковой системе;

41. При увеличении ширины зоны двухфазного состояния при затвердевании отливок количество усадочных пор в них

A) увеличивается;

B) уменьшается;

C) не изменяется;

42. Чем отличалась бы усадочная раковина в отливке, полученной на Луне, от раковины в отливке, полученной на Земле

A) конфигурацией;

B) увеличенным размером;

C) ничем;

43.  . Указанная формула описывает

A) процесс охлаждения отливки;

B) рост размеров кристаллов;

C) рост толщины затвердевания корки отливки;

D) подъем уровня металла в форме;

E) движение металла при питании усадочной раковины.

44. . Указанная формула определяет величину

A) истинной линейной усадки;

B) усадки при затвердевании;

C) линейной усадки;

45. Выделите неправильный ответ. Что влияет на скорость охлаждения отливки в форме

A) теплофизические свойства формы;

B) положение отливки в форме;

C) удельная теплоемкость металла отливки;

46. Скорость металла на входе в форму, заполненную снизу под давлением газа Р_газа = const, по мере заполнения формы

A) увеличивается;

B) не изменяется;

C) уменьшается;

47. Для предотвращения попадания макроскопических неметаллических включений в металл отливки необходимо

A) увеличить скорость течения металла в литнике;

B) уменьшить высоту питателей;

C) увеличить пропускную способность литниковой системы;

D) создать турбулентное течение металла в литнике;

E) увеличивать высоту питателей.

48. Истинную линейную усадку можно определить следующим образом

A) сравнением размеров двух отливок, полученных в одной форме;

B) сравнением размеров отливки и модели;

C) сравнением размеров формы и полученной в ней отливки;

49. Выделите неправильный ответ. При выливании металла из стопорного ковша скорость течения металла в выпускном  отверстии зависит от

A) уровня металла в ковше;

B) вязкости металла;

C) диаметра выпускного отверстия;

50. При заливке формы с подводом металла сверху гидростатический напор равен

A) высоте нижней полуформы;

B) разности уровня металла в литниковой воронке и полости формы;

C) разности уровней металла в литниковой воронке и места расположения питателя;

51. В каком месте и какой конфигурации может быть усадочная раковина в отливке шара, полученного в металлической форме без применения прибылей

A) строго в центре и имеющей конфигурацию сферы;

B) смещенной к низу от центра, и имеющей форму эллипсоида;

C) смещенной к верху от центра и имеющей конфигурацию эллипсоида;

52. . В указанной формуле R_пр означает

A) радиус закруглений стенки;

B) критический размер включений;

C) приведенный размер отливки;

53. Выберите неправильный ответ. Нестабильность линейной усадки отливки является следствием

A) непостоянства состава и свойств формовочной смеси;

B) колебания степени уплотнения формы;

C) непостоянства времени заполнения формы;

54. Приведенный радиус отливки равен

A) отношению площади сечения стенки к толщине;

B) отношению объема к боковой поверхности отливки;

C) отношению объема отливки к периметру сечения;

55. Для эффективного действия прибыль на отливке должна находится

A) выше питаемого места в отливке;

B) ниже питаемого места в отливке;

C) на одном уровне с питаемым местом;

56. Выделите неправильный ответ. Время заполнения формы при подводе сверху зависит

A) от площади сечения каналов литниковой системы;

B) от положения отливки в форме;

C) от гидростатического напора;

57. Формула для приближенного расчета времени полного затвердевания отливки имеет вид

A) ;    B) ;     C) ;     D) ;

58. По мере заполнения формы с верхним подводом металла, скорость истечения металла из питателя

A) увеличивается;

B) уменьшается;

C) остается неизменной.

59. Выделите неправильный ответ. Какими способами можно предотвратить попадание в отливку пленочных неметаллических включений

A) плавкой в вакууме;

B) плавкой в среде инертных газов;

C) применением шлакоуловителей;

D) применением гранульных фильтров;

60. Температура металла в зоне двухфазного состояния

A) выше температуры ликвидус;

B) равна или ниже температуры солидус;

C) выше температуры солидус, но ниже температуры ликвидус;

D) все ответы правильны;

61. Выделите неправильный ответ. Макроскопические неметаллические включения предупреждаются

A) применением фильтрующих элементов в литниковых системах;

B) рациональной конструкцией шлакоуловителей;

C) плавкой в среде защитных  газов.

62. В отливке, затвердевающей в земных условиях, открытая усадочная раковина имеет конфигурацию конуса (пирамиды) вследствие действия

A) атмосферного давления;

B) силы поверхностного натяжения металла;

C) земной силы тяжести.

63. Выделите неправильный ответ. Каковы внешние признаки горячей трещины

A) окисленная поверхность;

B) блестящая поверхность;

C) изломанность контуров.

64. В теплотехнически «толстых» телах перепад температур между центром и поверхностью тела

A) примерно равен  разности температуры поверхности тела и среды;

B) намного меньше разности температур поверхности тела и среды;

C) намного больше разности температур поверхности тела и среды;

65. . Формула используется для определения времени заполнения формы

A) при подводе питателя снизу;

B) при подводе питателя сверху;

C) при подводе питателя сбоку;

66. В зоне двухфазного состояния металла в затвердевающей отливке

A) количество твердой и жидкой фаз одинаково во всех точках;

B) количество твердой фазы больше в области с более низкой температурой;

C) количество твердой фазы больше в областях с более высокой температурой;

67. При получении отливки в условиях  идеальной невесомости при последовательном затвердевании усадочная раковина в ней расположится

A) ближе к верхней поверхности;

B) выйдет на боковую поверхность;

C) усадочная раковина не образуется.

D) поблизости от теплового (термического) центра отливки;

68. При выливании металла из стопорного ковша скорость течения в стопорном отверстии

A) увеличивается по мере опорожнения ковша;

B) не изменяется;

C) уменьшается до определенного значения, затем остается постоянной;

D) уменьшается до нуля;

69. При подводе металла снизу гидростатический напор в питателе заливаемой формы равен

A) высоте верхней полуформы;

B) высоте нижней полуформы;

C) разности уровней металла в отливке и места расположения питателя;

D) разности уровня металла в литниковой воронке и в полости формы;

70. Известно, что линейная усадка сплава, из которого изготавливается отливка, составляет 2%. Каким должен быть на модели отливки размер, который после ее полного охлаждения должен равняться 525 мм

A) 527,5 мм;

B) 530,5 мм;

C) 535,0 мм;

D) 525 мм;

E) правильного ответа нет.

71. При объемном затвердевании отливки в условиях идеальной невесомости в ней образуется

A) усадочная раковина вблизи термического центра отливки;

B) усадочная пористость, равномерная по всему объему отливки;

C) усадочная пористость в зоне, прилегающей к  геометрической оси отливки;

72. Под практической понимают жидкотекучесть сплавов, определяемую

A) при одинаковой температуре заливки;

B) при одинаковом нагреве над температурой ликвидус;

C) при одинаковом перегреве над температурой нулевой жидкотекучести.

73. Заполняемость формы металлом можно увеличить

A) только заливкой в подогретую форму;

B) только увеличением гидростатического напора;

C) только увеличением температуры заливки;

D) только принудительным заполнением (центробежным, под давлением и т. д.)

E) любым из перечисленных способов.

74. При объемном затвердевании отливки

A) переход металла из жидкого состояния в твердое происходит строго одновременно во всем объеме отливки;

B) переход металла из жидкого состояния в твердое в середине сечения отливки происходит раньше, чем на периферии;

C) металл отливки в ходе затвердевания во всем объеме некоторое время находится в твердо-жидком состоянии;

D) металл отливки в ходе затвердевания претерпевает превращения с изменением объема;

75. Предусадочное расширение отливок представляет собой

A) увеличение объема и линейных размеров отливки после ее затвердевания;

B) увеличение объема и линейных размеров отливки после окончательного ее затвердевания;

C) увеличение объема и линейных размеров отливки в ходе ее затвердевания;

76. Под температурным интервалом хрупкости (ТИХ) понимают

A) резкое уменьшение пластичности сплавов при температурах близких к температуре солидус;

B) уменьшение пластичности сплава при температуре ниже нуля;

C) уменьшение пластичности сплавов в интервале температур (0,4+0,5)Т солидус;

D) уменьшение пластичности сплавов в интервале температур (0,2+0,3)Т солидус;

E) правильного ответа нет.

77. Выделите неправильный ответ. Уменьшить коробление отливок, вызванное торможение усадки формой, можно

A) увеличением податливости формовочной или стержневой смеси;

B) изменением конструкции отливки (применением стяжек, выступов и др.)

C) учетом возможного коробления при изготовлении модели (обратный прогиб);

D) выбором рациональной конструкции формы для снижения сопротивления усадки;

E) уменьшением скорости заливки.

78. Под короблением отливок понимается

A) изменение толщины стенок отдельных элементов отливок при неточности сборки форм;

B) различие толщины стенок из-за неравномерной прочности формы или стержня;

C) грубое искажение конфигурации отливки в результате неравномерной усадки;

D) отклонение размеров отдельных частей отливки в результате различия реальной и расчетной усадки;

E) правильного ответа нет.

79. При каких условиях определяется практическая жидкотекучесть

A) при одинаковой температуре заливки;

B) при одинаковом перегреве над температурой ликвидус;

C) при одинаковом перегреве над температурой  нулевой жидкотекучестью;

80. Какую макроструктуру литого металла может обеспечить кристаллизация при строго направленном теплоотводе

A) равноосную, мелкозернистую;

B) равноосную, крупнозернистую;

C) столбчатую;

81. Эффект воздействия вибрации на кристаллизующийся металл заключается, главным образом

A) в ускорении охлаждения металла в средней части объема;

B) в обеспечении строго последовательного затвердевания;

C) в образовании большого числа дополнительных центров кристаллизации;

82. Как изменится макроструктура литого металла после механического перемешивания в процессе кристаллизации

A) увеличивается длина столбчатых кристаллов;

B) укрупняются разноосные кристаллы;

C) может образоваться монокристальная структура;

D) структура станет более мелкозернистой;

83. В чем заключается способ литья с вводом микрохолодильников («суспензионное литье»)

A) мелкие (0,2+2мм) твердые частицы того же состава, что и основной сплав, вводятся через специальный канал в литниковой системе в ходе заливки формы;

B) те же частицы вводятся в  ковш непосредственно перед заливкой  формы;

C) в ковш вводятся частицы размером 3-8 мм.

84. Максимальное расстояние между смежными прибылями на отливке или ее элементе должно быть

A) не более удвоенной толщины стенки отливки;

B) не более двух величин высоты прибыли;

C) строго равным длине прибыли;

D) не более суммы длин эффективных зон действия смежных прибылей;

85. Высокоскоростная направленная кристаллизация металла литых изделий осуществляется

A) путем заполнения формы расплавом со скоростью, равной скорости кристаллизации;

B) путем нагрева отдельных зон формы перемещающимся вдоль него нагревателем;

C) путем погружения предварительно нагретой до температуры кристаллизации и залитой металлом тонкостенной формы в жидкометаллический охладитель.

86. Осевая усадочная пористость представляет собой

A) зоны мелких усадочных раковин в средней части местных утолщений стенок отливок;

B) скопление мелких усадочных раковин, вытянутых цепочкой в узкой осевой области протяженных элементов отливок;

C) скопление мелких усадочных раковин в местах локального перегрева металла при заливке формы;

87. Рассеянная усадочная пористость в литых изделиях образуется

A) при последовательном затвердевании;

B) при недостаточной высоте прибылей;

C) при объемном затвердевании;

D) при неравномерном затвердевании отливки;

88. Причиной образования осевой пористости в фасонных отливках и слитках является

A) чрезмерно большая ширина зоны двухфазного состояния при затвердевании;

B) недостаточный объем прибыли;

C) затруднение питания усадки в отливке или ее элементах большой протяженности при недостаточной направленности затвердевания;

89. Выделите неправильный ответ. Уменьшить размеры прибылей и расход металла на них можно путем

A) теплоизоляции прибылей;

B) применения экзотермических оболочек и засыпок для прибылей;

C) доливки прибыли жидким металлом;

D) ускорения затвердевания отливки с помощью  внутренних холодильников;

E) применения теплоизолирующих вставок на отливках.

90. Строго  последовательно затвердевают отливки

A) из  сплавов, кристаллизующихся в широком интервале температур при большой скорости охлаждения;

B) из чистых металлов из сплавов эвтектического состава при любой скорости охлаждения;

C) из сплавов, кристаллизующихся в узком интервале температур, при малой скорости охлаждения;

91. Мерой жидкотекучести сплавов является

A) минимальная величина гидростатического напора, при которой возможно течение расплава;

B) минимальная толщина стенки или диаметр канала, которые могут быть заполнены данным сплавом;

C) длина канала в форме, который заполнился расплавом при определенных условиях заливки форм;

92. Истинная жидкотекучесть сплавов определяется при

A) одинаковых значениях перегрева над температурой ликвидус;

B) одинаковой температуре заливки;

C) одинаковых значениях перегрева над температурой нулевой жидкотекучести;

93. Для обеспечения эффективного питания (компенсации объемной усадки) затвердевающей отливки либо термического узла затвердевание должно

A) происходить одновременно во всем объеме отливки (узла);

B) быть направленно от места расположения прибыли к периферии отливки (узла);

C) происходить последовательно сверху вниз;

D) происходить последовательно от периферии отливки (узла) к месту расположения прибыли.

94. Выделите неправильный ответ. Холодильники, предназначенные для ускорения затвердевания и охлаждения утолщенных частей отливок, могут быть

A) наружными монолитными;

B) наружными раплавляемыми;

C) наружными формуемыми;

D) внутренними расплавляемыми;

E) внутренними нерасплавляемыми (удаляемыми).

95. Прибыли на отливках, действующие под атмосферным или газовым давлением, обеспечивают

A) предупреждение образования горячих трещин;

B) повышение эффективности перемещения жидкого металла от прибыли к местам образования усадочных раковин;

C) подавление транскристаллизации (роста столбчатых кристаллов в отливке);

96. Действие прибылей под сверхатмосферным давлением происходит за счет

A) выделения газа из специального  газообразующего заряда;

B) давления газов, растворенных в жидком металле;

C) давления газов, выделяющихся из формы при ее нагреве;

97. Выделите неправильный ответ. Обеспечение требуемой (рациональной) направленности затвердевания фасонной отливки  возможно путем

A) помещения отливки после выбивки из формы в среду с большим коэффициентом теплоотдачи (воду, водяной туман, холодный воздух);

B) изменения конфигурации отливки — создания технологических приливов и утолщений;

C) применения внутренних и наружных холодильников для частей отливки, где требуется ускорение охлаждения;

D) применения теплоизолирующих вставок в форме для замедления охлаждения частей отливок.

98. Выделите неправильный ответ. К числу вредных последствий действия внутренних напряжений в отливках относятся

A) возникновение холодных трещин в охлаждающейся  отливке;

B) возникновение трещин при нагреве отливки для термообработки;

C) коробление отливки при охлаждении в форме и на воздухе;

D) коробление при нагреве для термообработки;

E) образование макроструктуры, не соответствующей требуемой.

99. Выделите неправильный ответ. Действие остаточных напряжений в литом изделии может проявиться в виде

A) изменения конфигурации (коробления) при механической обработке со снятием стружки  в напряженных частях изделия;

B) медленного изменения конфигурации (коробления) при эксплуатации или хранении — в результате релаксации (ослабления) остаточных напряжений;

C) разрушения изделия при нагрузках, меньших расчетных, в результате сложения эксплуатационных и остаточных напряжений;

D) Изменения ориентации макроструктуры, измельчения зерна;

100. Выделите неправильный ответ. Предотвратить (или уменьшить) образование рассеянной  усадочной пористости в литых изделиях можно

A) ускоренным охлаждением в период затвердевания;

B)  кристаллизацией с приложением внешнего давления (газового или поршневого);

C) применением эффективных прибылей увеличенных размеров;

D) кристаллизацией в условиях одномерного теплоотвода (направленная кристаллизация).

 

Дешифратор по дисциплине «Теория формирования металлических систем»

 

1     C

2     D

3     B

4     A

5     C

6     C

7     C

8      A

9      B

10    B

11    C

12    D

13    C

14    D

15    C

16    B

17    B

18    E

19    A

20    B

21    C

22    B

23    B

24    C

25    C

26    B

27    A

28    C

29    E

30    C

31    C

32    B

33    D

34    C

35    C

36    B

37    B

38    D

39    B

40    C

41    A

42    C

43    C

44    C

45    B

46    C

47    B

48    E

49    C

50    C

51    C

52    C

53    C

54    B

55    A

56    B

57    B

58    C

59    C

60    C

61    D

62    C

63    B

64    C

65    B

66    B

67   D

68    D

69    D

70    E

71    B

72    A

73    E

74    C

75    B

76    A

77    E

78    E

79    B

80    C

81    C

82    D

83    A

84    D

85    C

86    B

87    C

88    C

89    E

90    B

91    C

92    C

93    D

94    B

95    B

96    A

97    A

98    E

99    D

100  В