Файл: Медведев Я.И. Технологические испытания формовочных материалов.pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 09.04.2024
Просмотров: 149
Скачиваний: 1
Таким образом, условие появления усадочных трещин в отливке приближенно выражается следующим соотношением:
^ В < ( е — Еф)В |
или г|)<е — вф. |
(89) |
Относительный фактический |
коэффициент усадки отливки |
е^, |
в свою очередь, будет зависеть от соотношения жесткостей (в на правлении усадки) отливки и стержня. Для случая одностороннего центрального сжатия стержня отливкой (центр давления отливки совпадает с центром сопротивления стержня) величина усадочных напряжений, возникающих в отливке и стержне, будет опреде ляться выражением
|
|
|
= bnL.t |
(90) |
|
|
°*om |
•* cm |
|
где |
ocm -— напряжения |
сжатия в |
стержне; |
|
|
с0 т — напряжения |
растяжения в отливке; |
||
Fom |
и Fcm — площади |
поперечного |
сечения соответственно |
|
|
отливки |
и |
стержня. |
|
Установка металлических каркасов и всестороннее сжатие стержней увеличивают их жесткость и уменьшают податливость. С уменьшением отношения FomIFcm повышается относительная жесткость стержня и сокращается величина фактической усадки отливки гф, что, согласно выражению (90), повышает опасность появления трещин.
Термические напряжения в некоторых сечениях отливки вместе с усадочными усиливают опасность появления трещин. Также дей ствует несовпадение центров приложения усадочных сил в отливке и силы сопротивления в стержне. Термические напряжения в от
ливках постоянного |
сечения всегда уравновешены [66]. |
ТЕРМИЧЕСКИЕ ДЕФОРМАЦИИ И НАПРЯЖЕНИЯ |
|
В ФОРМОВОЧНЫХ |
МАТЕРИАЛАХ |
Тепловое расширение или усадка формовочных и стержневых смесей при заливке форм металлом, как об этом уже говорилось, имеет последствия двоякого рода: 1) приводит к нарушению сплош ности поверхности формы и соответственно к образованию изоли рованных дефектов отливки (ужимин, засоров, земляных раковин
и |
т. п.); 2) |
увеличивает |
сопротивление усаживающейся |
отливки |
и |
вызывает |
напряжения |
и трещины в отливке. Важно |
знать не |
только абсолютное значение тепловой деформации в смесях, но и характер протекания ее во времени.
Схема прибора для определения деформаций при нагреве при ведена на рис. 116. Образец 2 устанавливают на специальную под ставку / из огнеупорного материала и вводят в печь 3, нагретую до заданной температуры. Деформация образца при нагреве пере дается через кварцевый шток 4 на индикатор 5. Между опорным концом штока и образцом находится кварцевая прокладка.
Подобные дилатометры позволяют изучать влияние на терми ческую деформацию состава смеси, уплотнения образца, темпера туры нагрева и т. п.
Возможны два варианта испытаний: 1) образец помещают в печь с заданной температурой, как бы имитируют работу смеси в реальной форме; 2) образец нагревается вместе с печью и дефор мация образца происходит при более равновесном состоянии.
В современных установках для замера деформаций образцов смеси предусмотрены автоматическое регулирование температуры в печи и запись деформации на ленту.
Исследуемые на дилатометре образцы испытывают свободные деформации, в то время как дефор мация реальных форм и стержней происходит при действии тормозя щих факторов. Кроме того, обра зец по сечению прогревается не равномерно, поэтому результаты испытания являются средними по образцу.
В настоящее время создано много приборов, имитирующих металлостатическое давление при деформации смеси. Эти приборы не отличаются по конструкции от дилатометра, однако на образец тем или иным способом оказы вается внешнее давление, постоян ное в течение опыта.
Рис. 116. Схема дилатометра для определения деформации смеси при нагреве
На |
рис. 117 показана конструкция |
прибора А . М . Д у б р о в |
ского, |
на нем можно определять деформацию смеси под нагруз |
|
кой и напряжения, возникающие в смеси |
[116]. Величина терми |
ческих напряжений характеризуется нагрузкой, которую необхо димо приложить для преодоления расширения образца и сохране ния его начальной высоты при нагреве.
Для проведения испытаний образец / диаметром 30 и длиной 50 мм, уплотненный во втулке 2 из жаропрочной стали, устанав ливают между двумя кварцевыми колонками 3 и 4 в разъемной печи 5, после чего в системе выбирают зазоры, и к образцу прикла дывают предварительную нагрузку 2—3 кгс. В случае определения термических напряжений при медленном нагреве обе части печи 5 закрывают в холодном состоянии, затем автотрансформатором изменяют температуру рабочего пространства печи. В случае определения термических напряжений при быстром нагреве печь предварительно нагревают до 1000° С и затем устанавливают испы туемый образец, при этом температура в печи падает на 150— 200° С. После сближения половинок печи температура в ней вос станавливается в течение 1—1,5 мин. По мере нагрева образец рас-
ширяется, хвостовик 6 динамометра 7 поднимается вместе с рыча гом 8, отклоняющим стрелку контактного индикатора 9, которая при превышении заданной величины линейного расширения об разца (обычно 0,01—0,02 мм) замыкает один из его контактов.
В этот момент срабатывает реле и включается электродвига тель 10, который через элементы И, 12, 13 системы нагружения обеспечивает приложение к образцу нагрузки, возвращающей его размер к номиналь ному. При уменьшении размера образца по срав нению с номинальным срабатывает другой кон такт индикатора 9, а электродвигатель пере ключается на обратный ход. Таким образом, в приборе обеспечивается автоматическое поддер жание высоты образца смеси с точностью
± 0,01 мм. Величина усилия, требующегося для предотвращения расширения смеси, фик сируется динамометром.
Установка позволяет получать четкие резуль таты при исследовании, например, напряжений, возникающих при на греве образцов из влаж ной бентонитовой смеси,
уплотненной при различном давлении прессования. Так, если смесь содержит 1% торфа и 3,9% воды, напряжения возникают только начиная с некоторой температуры, что по мнению А. М. Дубровского, связано с действием влаги. Она, во-первых, смачивая зерна, способствует их перегруппировке, сопровождае мой уменьшением объема, а, во-вторых, испаряясь, увеличивает пористость материала. С повышением плотности образцов термиче ские деформации появляются при более низких температурах нагрева, что, по-видимому, связано с уменьшением пористости материала.
Максимум термического напряжения наблюдается в интервале температур 580—650° С, а затем происходит его быстрое снижение, что объясняется выгоранием органических добавок, удалением из бентонита кристаллизационной влаги и спеканием. В чистых кварцевых песках напряжение уменьшается медленнее, чем напря жение в смесях, содержащих выгорающие добавки и глину.
Благотворное влияние на снижение величины термических напряжений оказывают такие выгорающие добавки, как опилки и торф. При введении в смесь 3% торфа максимальные напряжения в смеси уменьшаются примерно в 8 раз.
Прибор позволяет установить влияние некоторых распростра ненных добавок на термическое напряжение. Наиболее резко вели чину напряжений уменьшают добавки древесной муки, сульфитной барды и торфа; несколько слабее действуют древесный пек, мазут
и |
каменноугольная пыль. Асбестовая крошка при содержании |
ее |
до 2% почти не изменяет напряжения, а при дальнейшем уве |
личении ее содержания напряжения уменьшаются медленнее, чем при использовании других добавок.
С целью приближения условий проведения опытов к условиям работы стержней в залитой металлом форме образцы перед началом испытания подвергаются сжатию на величину усадки. При при ложении к образцу предварительного сжатия на 0,7% термическое напряжение возрастает примерно на 30%. После снижения напря жений до нуля продолжение нагрева образцов вызывает уменьше ние его длины. При остывании от 980° С до температуры модификационного превращения кварца 575° С сокращения образца не происходит, а затем усадка начинается снова.
Опытами установлено [46], что термические напряжения в сме сях при нагреве достигают 132 кгс/см2, а при приложении предварительного сжатия, имитирующего усадку отливки, —- 270 кгс/см2.
На приборе А. М. Дубровского можно также замерять терми ческое расширение смеси, как это делается на приборах типа дила тометра.
Дальнейшее приближение условий опытов к условиям работы формовочных смесей способствовало созданию методов, при кото рых деформации замеряются при одностороннем нагреве образца смеси.
Например, смесь помещают в гильзу диаметром 63 мм и высотой 254 мм и уплотняют до заданной плотности. Затем к испытуемой поверхности образца подводят никелевый стержень, нагретый до 1370° С. После выдержки в течение 15 сек образец подвергают давлению через стержень, соединенный специальным прибором, фиксирующим величину давления.
В этом случае в качестве критерия склонности смеси к деформа ции предлагают использовать «относительную плотность», пред ставляющую собой отношение действительной плотности смеси к теоретической максимальной плотности. Максимальная плот ность рассчитывается следующим образом. Допустим, что наиболь шая плотность песчаной основы равна 1,6 г/см3; смесь состоит из 90% песка (по весу), 7% глины и 3% воды. Тогда 0,9 г песка займут объем 1,6-0,9 = 1,4^ см3. При полностью уплотненной смеси глина должна расположиться в порах и объем смеси должен быть равен по-прежнему 1,44 см3. Но этому объему соответствует вес
не 0,9 |
г, а |
1,0 г, поэтому максимальная плотность будет 1,60 : |
: 0,9 = |
1,78 |
г/см3. |
Аналогичный метод испытаний был использован в работе [2] . Величину деформации при определенной нагрузке на образец, нагреваемый с одной стороны, авторы работы [2 ] назвали «горячей податливостью».
Несомненный интерес для литейщиков представляют методы, позволяющие замерять деформацию и напряжения непосредст венно в форме.
В работе [190] опоку размерами 450x350x125 мм, в которой смесь 3 (рис. 118) уплотняется встряхиванием или прессованием,
Рис. 118. Установка для измерения Деформаций образца под давлением
устанавливают на резиновую диафрагму 2, закрепленную в полой плите 1. Под диафрагму подводят воду, уровень которой фикси руется вертикальным сосудом 4, присоединенным к воздухопро воду через вентиль 6. Давление, создаваемое над поверхностью воды, фиксируется манометром 5.
Под действием внешнего давления, передаваемого водой, диа фрагма вдавливается в смесь. Величину деформации характери зуют понижением уровня воды в сосуде 4.
Влияние давления на деформацию изучали для трех случаев: 1) форма ничем не нагружена; 2) на верхней поверхности формы прочно закреплена металлическая полоса шириной 100 мм; 3) по верхность формы полностью закрыта плитой.
Этот метод испытаний позволяет оценивать склонность к дефор мации ненагреваемых слоев формы и может быть полезен для опре деления частоты расположения крестовин в опоках, веса груза, предотвращающего подутия и т. п.
Деформации и напряжения в стержнях можно определять на установке А. М. Дубровского [47]. Исследуемый стержень / (рис. 119) изготовляют из двух частей на жестких каркасах 7 и 8,
скрепленных тремя болтами. С одной стороны между траверсами каркаса устанавливают угольную месдозу б, а с другой — два упорных болта 2, так что половины стержня соприкасаются в трех точках. Зазор между плитами со стороны отливки заделывают фор мовочной смесью. Температура внутри стержня замеряется хромельалюмелевыми термопарами 3, а температура отливки — плати- но-платинородиевой термопарой. Деформация в стержне заме ряется двумя индикаторами 4, соединенными с нижней и верхней
Рис. 119. Установка для определения деформаций и |
напряжений |
в стержне при заливке формы металлом |
|
поверхностями стержня кварцевыми трубками 5. Месдозы и тра версы охлаждаются сжатым воздухом из шланга 9. Толщины отли
вок, |
имеющих форму четырехугольной рамки, составляли 15; 30 |
и 45 |
мм. |
После заливки металла в стержне возникают деформации рас ширения, которые происходят и после затвердевания металла, вызывая пластические деформации в отливке и суммарные (уса дочные и термические) напряжения в смеси. После достижения ме таллом определенной прочности отливка преодолевает сопротивле ние стержня и начинает усаживаться, вызывая уменьшение разме ров стержня; предварительное расширение стержня составляет при толщинах отливки 15; 30 и 45 мм соответственно 0,16; 0,4 и 0,72%.
Предварительное расширение стержней в период, когда металл находится в жидком состоянии, существенно влияет на величину окончательной усадки отливки.
Различные смеси можно классифицировать по величине терми ческих напряжений, возникающих в форме при заливке (табл. 35).
Конструктивно по-иному выполнена установка Ю. А. Степа нова для определения расширения смеси в форме при заливке
|
|
|
|
Таблица 35 |
|
|
Классификация формовочных и стержневых смесей |
||||
|
по величине термических напряжений [47] |
||||
Г р у п п а |
Т е р м и ч е с к и е н а п р я ж е н и я |
Состав т и п о в ы х с м е с е й |
|||
с м е с и |
в с м е с и 1 |
в |
кгс/см2 |
||
1 |
До |
20 |
|
Хромистый железняк 100%, сульфит |
|
|
20—40 |
|
ная барда 0,75% |
||
2 |
|
Песок 10%, горелая смесь 55%, глина |
|||
|
|
|
красная 10%, опилки 25% (по объ |
||
|
|
|
|
||
|
|
|
|
ему) |
|
3 |
40—70 |
|
Песок 10% , горелая смесь 60%, глина |
||
|
|
|
красная 10%, опилки 20% (по объ |
||
|
|
|
|
||
|
70—100 |
ему) |
|||
4 |
Песок люберецкий 85%, глина куди- |
||||
|
|
|
новская 10%, пылевидный кварц 5% |
||
5 |
Свыше 100 |
||||
Песок люберецкий 85%, глина куди- |
|||||
|
|
|
|
новская 15% |
|
1 Пр и |
у п л о т н е н и и тремя |
у д а р а м и |
копра . |
металла (рис. 120). На чугунной плитеЗ, установленной на стойках 1, находится круглая опока /У с исследуемой смесью и асбоцементной крышкой 6. Между опокой и плитой ставят прокладку 4 из асбоце мента. Литниковая чаша 9 имеет разрезное кольцо 7, закрепляемое винтами и слу жащее для ограничения усад ки металла в чаше. Чаша прижимается плитой 8 к крышке. Расширение смеси фиксируется индикатором 2 через кварцевый шток 5. Тем пература смеси замеряется термопарами 12, а металла — термопарой 10. Термопары подключают к потенциометру
ЭПП-09.
КпотенциометруЭПП-09
V7777777777777777Z'
По опытным данным Ю. А. Степанова, на величину расширения смеси существен но влияют силы трения между смесью и опокой: в неболь ших опоках сильнее тормо зится расширение смеси, чем в опоках большого размера.
Рис. 120. Прибор Ю. А. Степанова для оценки расширения формовочных смесей при заливке формы металлом
Данная методика может быть использована для про ведения сравнительных испы-