CC BY
39
В1СНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХН1ЧНОГО УН1ВЕРСИТЕТУ
2001 р.
Вип. № 11
УДК 621.744.044
Скребцов A.M.1, Петренко Д.И.2, Прокопов A.A.3
ВЛИЯНИЕ ЛЕГКОПЛАВКОГО ВНУТРЕННЕГО ХОЛОДИЛЬНИКА
НА СТРОЕНИЕ ОТЛИВКИ
Изучили влияние холодильников с низкой температурой плавления на строение затвердевшего металла. Нашли, что холодильники массой 0,3+0,5 % от массы теплового узла отливки способствуют улучшению структуры металла. Холодильники массой более 1 % вызывают образование в отливке нежелательной усадочной пористости.
Из литературы известно, что одним из средств воздействия на кристаллизующийся расплав отливки являются внутренние холодильники [1,2,3 и др.]. На протяжении длительного времени использования холодильников для улучшения качества литых изделий выработаны рекомендации по выбору их массы, конфигурации, химического состава, температуры плавления и других параметров литейной технологии [2,3 и др.].
Оптимальным считается соотношение температуры плавления холодильника t„я, (°С) и жидкого металла отливки Глм (°С) удовлетворяющее условию fnx/ [4]. При отношении t^/
/пм<1 в отливке возможно возникновение пороков усадочного происхождения. Однако, в литературе отсутствуют количественные рекомендации об использовании легкоплавких холодильников при получении отливок. Поэтому целью настоящей работы было изучение влияния холодильников различной массы с отношением гпх/ tmi< 1 на строение затвердевшей отливки.
Экспериментальную часть работы выполнили на сплавах алюминия. Опытные отливки массой ~2 кг получали методом сифонной заливки расплава в песчано-глинистых (диаметр 95 мм, высота 120 мм) и в конических металлических (верхний диаметр 83, нижний — 90 мм, высота 135 мм) формах. Холодильники в виде литых металлических стержней диаметром от 5,5 до 26,5 мм устанавливали в верхней части отливок по их тепловой оси. При этом, при заливке песчано-глинистых форм стержень располагали на 2/з высоты отливки, а металлической на /2. Температуру расплава перед заливкой в форму замеряли хромель-копелевой термопарой; вторичным прибором был цифровой потенциометр типа А565-002-01. Температуры плавления веществ определяли по кривым их охлаждения. Исследование макроструктуры металла провели на продольных осевых темплетах, поверхность которых шлифовали, полировали и подвергали металлографическому травлению.
Опыты в песчано-глинистых формах В опытах этой серии заливку осуществляли расплавом первичного алюминия марки А5 (ГОСТ 11069-74) перегретым до температуры 750 °С. Найденная нами температура плавления сплава t„„ = 650 °С. Холодильники изготавливали из сплава системы Al-Si марки АК-12 (ДСТУ 2839-94); экспериментальная ?ш = 580 °С. Таким образом, величина отношения lrl/ г||ч составила примерно 0,88 0,89. Было изготовлено шесть опытных отливок со стержнями и одна сравнительная. Масса холодильников составляла 0,2; 0,7; 1,3; 2,5; 3,6 и 5 % от массы отливки. После изготовления осевых темплетов металла обнаружили, что все они в осевой зоне имели концентрированные усадочные раковины.
На рис. 1 представлены фотоснимки темплетов. Металлографическое травление образцов показало, что отливки с холодильниками массой 0,2 0,7 % имеют относительно однородное мелкозернистое строение. В то же время при увеличении массы холодильника свыше 2,5 % ма-
1 ПГТУ, д-р тех. наук, проф.
2 ПГТУ, аспирант
3 ПГТУ, инженер
кроструктура металла содержит зоны как с дендритной, так и с равноосной формой кристаллов. Длинные тонкие дендриты направлены перпендикулярно к поверхности усадочной полости раковины, что вероятно, указывает на их рост за счет расплавления металла холодильника. При массе холодильников 3,6 и 5 % (рис. 1д и рис. 1е) в нижней части отливки образовались внутренние трещины. На сплавах железо - углерод наблюдали также возникновение трещин в металле при повышенном содержании углерода в материале холодильника [4].
Рис 1 - Фотографии ма1фостру1стур осевых сечений опытных отливок в песчано-глинистой форме. Процент холодильника: а - 0; б - 0,2; в - 1,3; г - 2,5; д - 3,6; е - 5,0.
Для характеристики усадки металла ввели показатели общего объёма отливки У0 и её высоты Не. Для усадочной раковины соответствующие величины обозначили Ууг, и Нур. На рис. 2 представлены безразмерные величины \\р! % (%) и ЯуР/ Ми {%) в зависимости от массы применявшегося холодильника % (кривые 1 и 4 соответственно). Как видно из рисунка, обе кривые имеют одинаковый характер и обладают минимумом при массе холодильника 0,5 0,7 %. Подобное явление наблюдалось ранее при одинаковом химическом составе холодильника и
£ з >
2 1 О
2 1
V
-1 1
Г^/и
70 60 60 40 30 20 10 о
пи, %
расплава [5]. Наличие экстремума обсуждаемых величин в наших и литературных данных свидетельствует о различиях в процессах затвердевания отливок при использовании холодильников большой (> 2,0 %) и малой 0,5 ~ 0,7 %) массы. Холодильники малой массы, по мнению многих исследователей [5] способствуют усилению конвекции расплава и направленному затвердеванию отливок.
Известно, что твердость алю-
Рис. 2 — Изменение относительного объёма О у /У^ %) и миниевых сплавов определенным относительной высоты (Яур/Я0) усадочных раковин образом коррелирует с их пределом опытных отливок в зависимое™ от массы внутрен- прочности [6]. Поэтому, для изуче-них холодильников. Форма: д. о - песчано- ния изотропности металла отливок глинистая; ▲ - металлическая. Кривые 1, 3 - от- измерили твердость на поверхности носительная высота; 2, 4 - относительный объем. темплетов. На темплетах провели
на одинаковых расстояниях 17 линий, параллельных вертикальной оси отливки, и 7 перпендикулярных к ней. В точках пересечения линий с помощью прибора Роквелла измерили твёрдость металла Результаты измерений усреднили в пределах каждой вертикали и горизонтали. По полученным данным определили разность наибольшего и наименьшего значений твердости как по высоте, так и по радиусу отливок. Найденные зависимости представлены на рис. 3. Из графиков следует, что металл отливок с холодильниками малой массы обладает сравнительно равномерным распределением твёрдости по всему сечению темплетов (малые значения ДНКВ). Увеличение массы холодильника свыше 1,1 % -г 1,3 % приведут к ещё большей анизотропии механических свойств, по сравнению с отливкой без холодильника.
Опыты в металлической форме В качестве основного использовали сплав следующего химического состава; 0,3% Мп; 3,8 % 51; 0,) % РЬ; 0,54 % Ре; 0,73 % Си; 2,0 % Г^; 2,7 % Хп, остальное А1. Температура ликвидус—солидус этого сплава по нашему определению составил 617-570 °С, .Для холодильников использовали тот же металл, что и в опытах предыдущей серии. Поэтому отношение !„ы , по сравнению с предыдущими опытами увеличилось и составило ~ 0,94 -ь 0,95.
Изготовили шесть отливок, включая сравнительную . Масса холодильников в отливке составляла 0; 0,38; 0,82; 1,15; 1,98 и 3,40 %. Фотографии макроструктур металла осевых сечений темплетов представлены на рис, 4. Они характеризуются плотным строением для всех проб, за
Рис. 3 — Разность наибольшей и наименьшей величин из усреднённых значений твердосга металла по высоте (д) и радиусу (о) отливок.
В проведении опытов участвовал студент И.А. Стрнгоцкий.
исключением подусадочной зоны, где наблюдается слабо выраженная пористость (а, в, г на рис. 4). Периферийная зона образцов с использованием холодильников более грубозернистая — 6 т 7 балл шкалы ГОСТ 5632-89, в центральной зоне зерно мелкое —9+10 балл.
Из рис. 4 видно, что раковины всех отливок концентрированные и расположены в верхней части отливки. Здесь, в отличие от песчано-глинистых форм (рис. 2), использование холодильника малой массы (0,34 %) предотвратило проникновение раковины вглубь отливки без образования моста в её верхней части (кривая 3 рис. 2). Объем усадочной раковины отливок с увеличением процента холодильника существенно не изменился (кривая 2 рис. 2). Также как и в песчано-глинистой форме и в других подобных исследованиях [5] холодильник малой массы (0,34 %) улучшает однородность металла по величине зерна и равномерности распределения механических свойств металла по его объему.
Рис. 4 - Фотографии макроструктур осевых сечений опытных отливок в металлической форме. Процент холодильника: а- 0; б - 0,34; в - 0,82; г - 1,1; д- 2,0; е - 3,4.
В соответствии со схемой, предложенной П.Ф. Василевским |4| в отливках с холодильником более 1 % возникает два встречных фронта затвердевания металла. Один из этих фронтов движется от стенки литейной формы, другой — от холодильника. Это явление повлекло изменение формы усадочной раковины от широко раскрытой У-образной (а, рис. 1; а-рис. 4) до ко-
нцентрированной продолговатой (е, рис. 1; д-рис.4). Есть основание предполагать, что в этих условиях полностью расплавившиеся легкоплавкие холодильники исполняли роль внутренней прибыли, подпитывающей расплавом основной металл отливки.
Вывод
Впервые изучали влияние легкоплавких холодильников в значительном интервале изменения их массы (0,2 5,0 %) на строение затвердевшего металла отливок. Обнаружили:
а) холодильник малой массы (0,3 -s- 0,5 %), в песчано-глинистых или металлических формах, способствует улучшению структуры затвердевшего металла;
б) холодильники массой >1 % служат внутренней прибылью для основного металла и повышают поражение отливки дефектами усадочного происхождения, что нежелательно.
Перечень ссылок
1. Влияние внешних воздействий на процесс формирования слитков и заготовок/ Скворцов А.А., Акименко А.Д., Ульянов В.А. — М.: Металлургия, 1991. - 216 с.
2. Рыжиков А.А. Технологические основы литейного производства. — М.: Машгиз, 1962. -527 с.
3. Нехендзи Ю.А. Стальное литьё. — М.: Металлургиздат, 1948. - 766 с.
4. Василевский П. Ф. Технология стального литья. — М.: Машиностроение, 1974. - 408 с.
5. Скребцов A.M., Секачеа А.О. Влияние расплавляемого внутреннего холодильника на структуру металла затвердевшего слитка или отливки // Вестник Приазов. гос. техн. ун-та: Сб. научи. Трудов,- Мариуполь, 1997. - № 3. - С. 62-66.
6. Гольдбухт Г. /:'., Рутлан М.М. Контроль качества отливок замером их твердости и теплопроводности // Литейное производство. — 1995. - № 4, 5. - С. 24 - 26.
Скребцов Александр Михайлович. Д-р техн. наук, проф. кафедры литейного производства ПГТУ, окончил Московский институт стали и сплавов в 1953 году. Основные направления научных исследований — изучение металлургических процессов с целью разработки теории и способов улучшения качества литого металла.
Петренко Дмитрий Иванович. Аспирант кафедры литейного производства ПГТУ, окончил Приазовский государственный технический университет в 1999 г. Основные направления исследований — внутренние холодильники в слитках и отливках и их влияние на строение и качество затвердевшего металла.
Прокопов Андрей Анатольевич. Инженер, зав. лабораторией кафедры литейного производства, окончил Мариупольский металлургический институт в 1993 г. Основные направления научных исследований — внутренние холодильники в слитках и отливках и их влияние на строение и качество литого металла.
Статья поступила 15.01.2001
