Исследование горячеломкости литейных сплавов на основе систем Al-Si, Al-Cu, Al-Si-Cu (стр. 7 из 11)

Применение кольцевой пробы позволило многим исследователям накопить обширный экспериментальный материал о зависимости горячеломкости цветных сплавов от состава и структуры, причём полученные данные прекрасно согласуются с производственным опытом, а также с результатами подсчёта условного запаса пластичности в твёрдо-жидком состоянии. Недостатком кольцевой пробы является малая её жёсткость, не позволяющая исследовать литейные сплавы со сравнительно небольшой горячеломкостью, например, большинство силуминов. Недостатком всех проб с постоянной жёсткостью является узость диапазона определяемой горячеломкости. Если проба недостаточно жёсткая, то она не позволяет различить по величине горячеломкости малогорячеломкие сплавы, так как они вообще не дадут трещин. Если же проба слишком жёсткая, то она не позволяет классифицировать сплавы с высокой горячеломкостью, так как в этом случае трещины приводят к полному разрыву по всему сечению отливок. Поэтому при работе, например, с кольцевой пробой необходимо для данной сплавов подбирать диаметр стержня, т.е. ширину кольцевой отливки при постоянном внешнем её диаметре, так, чтобы проба могла «различать» по величине горячеломкости все эти сплавы. Последнее условие вообще невозможно выполнить, если в исследуемую группу входят сплавы с очень высокой и очень низкой горячеломкостью. Тогда приходится сравниваемые сплавы разделять на две подгруппы и применять к ним пробу с повышенной и пониженной жёсткостью.

1.3.1.1. Стандартная кольцевая проба на горячеломкость

Стандартная кольцевая проба на горячеломкость (рисунок 6) представляет собой отливку в виде плоских колец, заполняемых от одного литника (1). Кольцо (2) толщиной 5 мм имеет во всех пробах один и тот же внешний диаметр, равный 107 мм. Для изготовления формы использовалась формовочная смесь, состоящая из кварцевого песка с 6% бентонита и 3% воды.

Внутренняя поверхность колец оформляется во всех случаях металлическими стержнями (3). Таким образом, в отливке создаются условия, благоприятные для образования усадочных напряжений вследствие механического торможения линейной усадки со стороны стержня. Кроме того, для образования термических напряжений применяют холодильники (4), которые увеличивают перепад температур в отливке. В результате этого возникающие деформации локализуются в одном месте – месте подвода металла к отливке, где заканчивается процесс кристаллизации. В этом месте и образуется трещина, если вынужденная деформация превысила значение предельной деформационной способности сплава.

Холодильники и стержни изготовлены из стали. Одна из сторон холодильника, которая соприкасается с отливкой, была покрыта слоем кварцевого песка со связующим веществом толщиной 1 мм. Ширина колец в радиальном направлении может изменяться от 5 до 47.5 мм с помощью металлических стержней различных диаметров. Критерием горячеломкости служит максимальная ширина кольца (в мм), при которой появляется трещина. Чем больше эта критическая ширина кольца, тем больше сплав предрасположен к образованию горячих трещин.

1.3.2. Во второй группе пробпоказатели горячеломкости отражают и размеры трещин, и размеры образца. Одновременный учёт обеих этих характеристик производится для того, чтобы сделать пробы более чувствительными и, вместе с тем, способными охватить более широкий диапазон горячеломкости.

Особый интерес представляет проба Хала. В отличие от всех известных проб, она может быть использована для оценки горячеломкости тугоплавких сплавов на основе титана, циркония, ниобия и т. п. Характерные особенности этой пробы: плавка во взвешенном состоянии малых навесок (2.4 см³ ) и заливка металла в медную форму в атмосфере гелия или аргона (рисунок 7).

В образце, который имеет вид шпильки с головками, из-за усадки металла и расширения медной формы возникают растягивающие деформации. С увеличением внешнего диаметра изложницы, т.е. с увеличением её массы, она меньше нагревается при заливке металла и меньше растягивает образец. Следовательно, жёсткость пробы возрастает с увеличением длины шпильки

Рис.6 Кольцевая проба на горячеломкость.

1 – литник; 2 – кольца переменной ширины; 3 – металлический стержень; 4 - холодильник

А и уменьшением внешнего диаметра формы С. Каждая форма характеризуется условным номером N, соответствующим определённым значениям А и С:

N………………………………. 4 5 6 7 8 9

А, дюйм………………………. 2³/₄ 2⁹/₁₆ 2³/₈ 2³/₁₆ 2 1¹³/₁₆

С, дюйм..................................... ³/₄ ³/₄ ³/₄ ³/₄ ³/₄ ³/₄

N................................................. 10 11 12 13 14 15 16

А, дюйм..................................... 1⁵/₈ 1⁵/₈ 1⁵/₈ 1¹/₂ 1³/₈ 1¹/₄ 1¹/₈

С, дюйм...................................... ³/₄ 1 1¹/₄ 1¹/₄ 1¹/₄ 1¹/₄ 1¹/₄

На поверхности образца, Поворачиваемого в специальном держателе, По отсчетному лимбу измеряется угловая величина концентрических трещин (осевой их составляющей пренебрегают). Результаты измерений для каждого сплава представляются в виде графика "относительная длина трещин (%) – номер литейной формы». Чем больше этот номер, тем меньше растягивающие деформации и короче трещины. За показатель горячеломкости выбирается номер формы, при котором относительная длина трещины равна 40%.

Проба Хала (CPT-Test - cast-pinteartest) обладает удовлетворительной чувствительностью и позволяет производить сравнительно быстрые и недорогие испытания тугоплавких сплавов на горячеломкость.

1.3.3. В третьей группе пробпоказателем сопротивляемости образования трещин является критическая нагрузка на затвердевающий образец. Здесь можно выделить две подгруппы: пробы с заранее приложенной постоянной нагрузкой и пробы, в которых усадка тормозится непрерывно возрастающей нагрузкой (пружиной).

В пробах с постоянной нагрузкой вся она быстро передаётся на образец, когда начинается линейная усадка. В то же время в производственных отливках усадочные напряжения возникают постепенно по мере развития затруднённой усадки. Поэтому вполне логично использование проб, в которых усадка тормозится пружиной и нагрузка непрерывно возрастает от нуля до некоторой критической величины в момент образования трещины. Этот момент отмечается по появлению максимума на кривой «усилие

Рис.7 Медная форма для пробы Хала

сопротивления усадке – время», так как при образовании трещины усилие окончательно (при полном разрыве) или временно падает. В основе этих методов лежит схема опыта Бриггса и Гезелиуса (рисунок 8), измерявших усилие, которое возникало при торможении усадки образца пружиной. Образец в виде стержня заливается в песчаную форму, в полость которой с двух торцов вставлены шпильки. Одна шпилька жёстко укреплена в опоке, а другая соединена с пружиной. Затвердевающий металл «схватывает» шпильки, и образец с одного торца оказывается жёстко связанным с опокой, а с другого – соединённым через шпильку с пружиной, делающей усадку затруднённой.

Нагрузка на образец измеряется по прогибу пружины с помощью механического индикатора, проградуированного в единицах силы.

Результаты исследований с помощью приборов, в которых усадка тормозится пружиной, в сильной степени зависит от жёсткости пружины. Чем жёстче пружина, тем быстрее после окончания заливки образуется трещина и тем меньше в этот момент нагрузка. Следовательно, абсолютное значение критической нагрузки зависит не только от свойств сплава, но и от жёсткости пружины. Особенно важно то, что жёсткость пружины по-разному сказывается на критической нагрузке, определённой на разных сплавах. В результате можно получить разную зависимость сопротивляемости образованию трещин от состава. Так, при увеличении жёсткости пружины, в ряду сплавов Fe – C сталь с 0.2% С из наименее горячеломкой становится наиболее горячеломкой.