Стандартная кольцевая проба на горячеломкость

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 проб показатели 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-pin tear test) обладает удовлетворительной чувствительностью и позволяет производить сравнительно быстрые и недорогие испытания тугоплавких сплавов на горячеломкость.

1.3.3.  В третьей группе проб показателем 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.

Было замечено, что при наличии у сплава предусадочного расширения, в производственных отливках стержень, расширяющийся при заливке металла, оказывает сопротивление усадке как только она начинается, а в установке с пружиной нагрузка прикладывается к образцу с опозданием. Обусловлено последнее тем, что в период предусадочного расширения пружина из положения oa изгибается в положение oc , а после начала усадки, когда она возвращается в исходное положение, образец не нагружен (рисунок 3). Образец нагружается только после того, как пружина проходит через исходное положение oa  и отклоняется в положение ob. Из-за холостого хода пружины критическая нагрузка зависит от величины предусадочного расширения, и результаты испытаний иногда расходятся с производственным

опытом и оценкой горячеломкости по пробам, относящимся к первым двум группам.

Одним из показателей горячеломкости является относительное количество треснувших отливок. Такой способ неудобен в лабораторных условиях, так как достоверные данные можно получить лишь при большом количестве повторных заливок. В то же время в заводских условиях, когда под контроль попадают сотни производственных отливок, статистический метод оценки горячеломкости по относительному числу треснувших отливок даёт очень хорошие результаты.

Рис.8  Схема опыта с торможением усадки пружиной

Была также сделана попытка оценить горячеломкость по величине минимальной твёрдости стержневой смеси, начиная с которой в кольцевой отливке появляются трещины. Эта методика не нашла применения, так как оказалась малочувствительной и неудобной в исполнении.

Вот ещё один пример измерения горячеломкости. Образцы в виде брусов отливались в песчаную форму, в полости которой с торцов были вставлены шпильки. С одного торца шпилька, «схватываемая» затвердевающим металлом, жёстко соединяла каждый образец с опокой, а с другого торца шпилька свободно проходила через отверстие в опоке. На конце этой шпильки с внешней стороны опоки была насажена гайка, и зазор между ней и опокой позволял проходить свободной усадке образца. Величина этого зазора, а следовательно, и степень затруднения усадки устанавливались заранее и были различными для разных образцов. Горячеломкость оценивалась по критической величине зазора, соответствующей появлению трещин. Рассмотренная проба оказалась малочувствительной и в дальнейшем не нашла применения.

Ни одна из существующих проб не может быть признана универсальной и пригодной для решения любых задач, связанных с изучением горячеломкости при литье. Такой универсальной пробы, по всей видимости, вообще невозможно разработать, хотя бы потому, что в одном опыте принципиально нельзя воспроизвести условия разных способов литья (в песчаную форму, в кокиль, непрерывного и т.д.) При решении разных задач выдвигаются разнообразные и часто прямо противоположные требования к пробе на горячеломкость.