Краткие теоретические сведения

История развития

Литейного дела

Методические указания

К лабораторным работам

Красноярск

СФУ

2011

История развития литейного дела: метод.указания к лабораторным работам / сост. С. В. Беляев,А. И. Безруких, Т. Р. Гильманшина,
В. Н. Баранов. – Красноярск: ИПК СФУ, 2011. – 48 с.

В методических указаниях изложены теория и указания к проведению лабораторных работ для получения знаний в области истории литейного производства. Для студентов специальности 150104.65 «Литейное производство черных и цветных металлов».

Учебно-методическое издание

История развития

Литейного дела

Методические указания

К лабораторным работам

Составители: Беляев Сергей Владимирович

Безруких Александр Иннокентьевич

Гильманшина Татьяна Ренатовна

Баранов Владимир Николаевич

Ó Сибирский федеральный

университет, 2011

Введение

Целью дисциплины преподавания дисциплины «История развития литейного дела» в соответствии с Федеральным государственным образовательным стандартом высшего профессионального образования является изучение объекта профессиональной деятельности выпускников, а именно основных исторических тенденций и этапов развития литейного производства, что обеспечивает углубление знаний, умений и навыков для успешной профессиональной деятельности.

Для освоения данной дисциплины необходимы знания дисциплин гуманитарно-социального, экономико-управленческого, математического и естественно-научного циклов основной образовательной программы подготовки бакалавра, основными из которых являются история, теория и история культуры, химия, физика и др. Данная дисциплина является основной для всех дисциплин профессионального цикла, например, теории литейных процессов, оборудование и проектирование литейных цехов и др. Следует отметить также, что изучение данной дисциплины напрямую связано с эффективностью проведения ознакомительной практики студентов, при проведении которой проводится закрепление теоретических знаний на производстве.

Методические указания включают семь лабораторных работ, содержат необходимые теоретические сведения и методику их выполнения.

Выполнение лабораторных работ преследует определенные цели: практическое изучение способов получения отливок в разовых песчаныхформах и специальными методами литья; определение литейных свойств сплавов; определение основных свойств формовочных и стержневых смесей.

Лабораторная работа 1

Плавка металлов и сплавов и определение их литейных свойств.

Цель работы: изучить литейные свойства алюминиевых сплавов.

Краткие теоретические сведения

Сплавом называют вещество, образованное сплавлением двух или более металлов или металлов с неметаллами (например, железо с углеродом).

В состав сплава входят основа, легирующие или модифицирующие добавки, примеси.

Основой сплава является металл, обычно один, определяющий его служебные свойства и стоимость.

Легирующими называют элементы, которые вводятся в сплав специально для управления его служебными и технологическими свойствами.

Примесями называют элементы, содержание которых незначительно и которые попали в сплав из руды, топлива, атмосферы, шлаков. По воздействию на служебные характеристики сплава примеси подразделяются на вредные, т.е. снижающие свойства сплавов (например, сера, фосфор во многих сплавах), и нейтральные, не оказывающие влияния на его свойства.

Отдельную группу составляют модификаторы – вещества, вводимые в малых количествах с целью управления главным образом размерами и формой зерна.

В зависимости от метода переработки в заготовки металлические сплавы разделяют на литейные (используемые при изготовлении фасонных отливок) и деформируемые, получаемые вначале в виде слитков, а затем перерабатываемые ковкой, прокаткой, волочением, штамповкой. Различия в методах переработки оказывают существенное влияние на требования к свойствам, а следовательно, и на требования к составам литейных и деформируемых сплавов.

Литейные сплавы классифицируются в зависимости от их состава, свойств, назначения. Сплавы на основе железа называют черными. К ним относят все разновидности чугунов и сталей (рис. 1.1).

а	б
Рисунок 1.1 - Чугун: а – чугун серый; б – чугун литейный

Остальные литейные сплавы на основе алюминия, магния, цинка, олова, свинца, меди, титана, молибдена, никеля, кобальта, бериллия и других металлов, в том числе и благородных металлов (серебра, золота, платины), называют цветными (рис. 1.2).

а	б
в
Рисунок 1.2 - Цветные металлы и сплавы: а – алюминиевые сплавы в чушках; б – бронза БрО3Ц8С4Н1 в чушках; в – латунь ЛАЖМц в чушках

Смесь компонентов, включающая первичные и вторичные металлы, флюсы и топливо в определенных пропорциях, подлежащая переработке
в металлургических агрегатах называется шихтой.

Типичные требования к качеству шихты определяются обеспечением стабильности и воспроизводимости результатов процесса, в котором она используется:

– постоянством химического состава;

– однородностью по химическому, минералогическому и гранулометрическому составу;

– оптимальной крупностью компонентов шихты;

– оптимальной влажностью.

Первичные металлы получают из рудных материалов на металлургических заводах. В литейные цеха, как правило, они поступают в виде чушек (рис. 1.2) или дробленых кусков.

К вторичным металлам относятся отходы собственного производства (например, бракованные отливки), лом, стружка и т.д.

Для плавки литейных сплавов применяют твердые (например, кокс литейный каменноугольный); жидкое (например, мазут) и газообразное (например, природный газ) топливо.

Флюсы используют для очистки расплава от вредных примесей.

Для приготовления расплавов используются металлургические печи, конструкция и технические характеристики которых будут зависеть от типа сплава и количества выплавляемого металла. На рис. 1.3 показана печь высокочастотная индукционная ЛПЗ-67, используемая на лабораторных работах. Металл в этой печи плавиться в тиглях (рис. 1.4.)

Рисунок 1.3 - Печь высокочастотная индукционная ЛПЗ-67

Рисунок 1.4 - Расплав в тигле

Свойства, определяющие поведение сплава в литейном процессе называют литейными. К числу важнейших литейных свойств относятся жидкотекучесть, усадка сплавов,склонность к газонасыщению и другие.

Жидкотекучесть. Под жидкотекучестью понимают способность сплава заполнять полость формы, воспроизводить полностью ее очертания.

Жидкотекучесть зависит от большого количества факторов, которые можно объединить в три основные группы:

– факторы, связанные со свойствами сплава (вязкость, поверхностное натяжение, теплота и интервал кристаллизации, теплопроводность, теплоемкость и др.);

– факторы, связанные со свойствами заполняемой формы (шероховатость стенок формы, теплопроводность, газопроницаемость и т.д.);

– факторы, зависящие от условий заполнения формы (металлостатический напор, избыточное внешнее давление на расплав, перегрев расплава, температура литейное формы, конструкция литниковой системы и т.д.).

Жидкотекучесть определяют экспериментально по специальным технологическим пробам, которые можно разделить на три группы:

– пробы постоянного сечения (спиральная, прутковая, лабиринтная, U-образная и другие);

– пробы переменного сечения (клиновая, шариковая);

– комбинированные.

Пробы постоянного сечения. Мерой жидкотекучести в пробах постоянного сечения является длина полученного прутка для выбранных условий заливки и охлаждения сплава. Наиболее широко распространены спиральная, комплексная (рис. 1.5) и прутковая пробы (рис. 1.6).

С п и р а л ь н а я п р о б а (рис. 1.5, а) состоит из чаши 1, фильтра 2, стояка 3, металлоприемника 4 и спирального канала 5 трапецеидального сечения с небольшими выступами 6. О величине жидкотекучести судят по пути, пройденному металлом до затвердевания, т.е. длине прутка. Небольшие выступы 6, нанесенные через 50 мм, облегчают измерение спирали.

U-о б р а з н а я п р о б а (рис. 1.5, б, проба Ю.А. Незензи, А.М. Самарина, С.К. Кантеника) имеет вертикальное расположение канала постоянного сечения. Высота подъема металла в канале пробы является количественной характеристикой жидкотекучести. Эта проба позволяет одновременно оценивать усадку сплава и склонность к образованию трещин.

Рисунок 1.5 - Пробы постоянного сечения: а – спиральная проба;

б – U-образная проба

П р у т к о в а я п р о б а (рис. 1.6) имеет обычно цилиндрический канал диаметром 5 мм, выполненный в песчано-глинистой форме. Металл поступает в канал из буферного резервуара, заполняемого из литниковой воронки. Заполнение воронки и вхождение металла в канал значительно зависят от условий заливки. Проба должна устанавливаться точно по уровню. Воспроизводимость определения жидкотекучести в этой пробе низкая (отклонения до 15 %).

Рисунок 1.6 - Прутковая проба

а	б

Рисунок 1.7 - Пробы переменного сечения: а – клиновая проба; б – шариковая проба

Пробы переменного сечения. Наибольшее распространение получили клиновая и шариковая пробы (рис. 1.7).

В к л и н о в о й п р о б е (рис. 1.7, а) полость формы переменного сечения в виде клина заполняется жидким металлом, который проникает в зависимости от жидкотекучести сплава на определенное расстояние. Показателем жидкотекучести является зазор, образующийся между вершиной конуса формы и вершиной затвердевшего металла: чем меньше это расстояние, тем жидкотекучесть больше.

Металлическая ш а р и к о в а яп р о б а (рис. 1.7, б), разработанная А.Г. Спасским, имеет вертикальный разъем вставки 3, соприкасающейся с шариком 2 диаметром 20 мм, вмонтированным в одну из половинок металлической формы.

Металл подводится в нижнюю часть формы через воронку 4 и литниковый канал 5. Он подтекает в пространство между планкой 3 и шариком 2, но не заполняет всего пространства, оставляя отверстие. Жидкотекучесть характеризуется площадью отверстия или его диаметром, чем меньше эти величины, тем больше жидкотекучесть.

Усадка. Усадкой называется уменьшение объема и линейных размеров отливки в период между заполнением формы расплавом и охлаждением отливки до температуры окружающей среды.

Следует различать три периода усадки:

– период в жидком состоянии до наступления температуры кристаллизации.

– при затвердевании в процессе кристаллизации (в интервале температур ликвидус–солидус);

– в твердом состоянии.

Различают линейную e_л и объемную усадкуe_о, которые вычисляют по формулам

e_л = (l _ф – l ₀) / l ₀ ^. 100 %, (1.1)

e_л = (V_ф – V₀) / V₀ ^. 100 %, (1.2)

где l _ф – линейный размер полости формы, залосненный жидким металлом; l _о – соответствующий линейный размер отливки; V_ф – объем полости формы; V_о – объем отливки после ее полного охлаждения.

По мере подачи тепла в окружающую среду температура затвердевшей корки, или скелета кристаллов, понижается, в результате чего происходит сокращение линейных размеров отливки. Некоторые металлы и сплавы кристаллизуются с увеличением объема и линейных размеров отливки (у серого чугуна имеет место фазовое превращение – графитизация). Такое увеличение размеров называют предусадочным расширением.

Величина линейной усадки или расширения определяется изменением температуры, коэффициентом линейного расширения и коэффициентом термического сжатия.

Для сплавов, кристаллизующихся в интервале температур, начало линейной усадки соответствует образованию 75–95 % твердой фазы.

Различают линейную (свободную) и литейную (затрудненную) усадку.

Линейной (свободной) усадкой принято называть сокращение линейных размеров, определяемое только свойствами сплава, протекающее без торможения со стороны формы.

Литейной усадкой называют разницу между линейными размерами модели l _м и отливки l _о:

e_л = (l _м – l ₀) / l ₀ ^. 100 %, (1.3)

Литейная (затрудненная) усадка отличается от линейной (свободной), так как она зависит не только от свойств и состояния металла или сплава, но и от конструкции отливки, конструкции формы (выступающие части формы, стержня, элементы литниковой системы и др.).

Литейную и линейную усадку отливок определяют на образцах модели, которые представлены на рис. 1.8.

а	б

Рисунок 1.8 - Модели для определения свободной (а) и затрудненной (б) усадки

По этим моделям в парных опоках изготовляются формы. Концы образца для определения затрудненной усадки (рис. 1.8, б) имеют Т-образную форму за счет поперечных полок. Эти полки пепятствуют усадке образца в продольном направлении. На модели каждого образца предусмотрены отверстия, которые служат для замера размеров l _ф и l _о, необходимых для расчета линейной усадки.