Разработка модели технологического процесса получения ребристых труб и ее апробация

полости формы. Для того, чтобы система выпоров сработала, необходимо также предотвратить их замерзание, т.к. если выпор закристаллизуется раньше, чем весь металл в форме, то он закроет выход газа из полости формы и газ останется в металле. Такое явление наблюдалось на ряде отливок. Для исключения этого явления необходимо увеличить площадь сечения выпора. Такой выпор играет двойную роль: обеспечивает своевременный выход газа и подпитку отливки жидким металлом во время кристаллизации, выполняя роль прибыли. Таким образом предотвращаются газовые дефекты и усадочные раковины, которые возможны при заливке в форму перегретого металла.

Следующим наиболее крупным видом брака являются засоры полости формы. Извлечение модели из формы, вследствие обширной поверхности их соприкосновения, затруднительно. В результате происходит частичное разрушение формы, что приводит к засорам ее полости. Удалить эти частицы из полости формы практически не возможно из-за очень тонкого и глубокого рельефа отливки. В результате, в процессе заливки происходят песчаные раковины в теле отливки, что отрицательно сказывается на ее герметичности, и на поверхности ребер, что сокращает площадь поверхности теплообмена (Рис.4-4). Снизить эти виды брака позволяет применение протяжного шаблона с резьбовым протяжным устройством (Рис.2-4).

Рис.4-3. Газовые раковины

Рис.4-4. Засоры

Рис.4-5. Образцы вырезанные из тела отливки

Газовая пористость, наблюдаемая на некоторых ребристых трубах (“потение” поверхности в результате гидроиспытаний), связана с газотворной способностью стержня. Для ее исключения необходимо строго следить за режимом сушки стержня и временем его нахождения в форме до заливки. Время нахождения стержня в собранной форме до заливки не должно превышать 4-6 часов.

Остальные виды брака также вскрываются при гидроиспытаниях отливок. Эти виды брака связаны с тем, что радиаторы не держат давление испытания 11 кгс/см². К таким видам брака относятся усадочная пористость и дефекты связанные со структурой металла и его плотностью. На Рис.4-5 представлены образцы вырезанные из тела отливки в тепловых узлах (Рис.4-6). На некоторых шлифах выполненных из этих образцов обнаружена усадочная пористость (Рис.4-7). Для устранения этих дефектов необходимо стабильное получение строго определенной структуры чугуна, в частности перлитной.

Рис.4-6. Тепловые узлы

Рис.4-7. Усадочная пористость

ПОСТРОЕНИЕ ПРИБЛИЖЕННОЙ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ СКОРОСТИ ЗАТВЕРДЕВАНИЯ ОТЛИВКИ

ОСНОВЫ ТЕРМОКИНЕТИЧЕСКОЙ ТЕОРИИ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ

Н.Г.Гиршович, Г.Ф.Баландин, Б.Я.Любов и Ю.А.Самойлович на основании синтеза теплофизической и молекулярно-кинетической теории создали математическую модель [35], позволяющую решить вопросы, связанные с особенностями формирования кристаллического строения слитков. Для сплава, кристаллизующегося в интервале температур Т_L - Т_S, залитого в форму при температуре Т_Н, в некоторый промежуточный момент затвердевания распределение температур представлено на Рис.5-1 [34].

Рис.5-1. Схема температурных полей затвердевающей отливки

Процесс затвердевания развивается в двухфазной зоне расплава, прилегающей к твердой корке. На Рис.5-1 представлена схема температурных полей: Т₁(x,t) - температурное поле в незатвердевшем расплаве, Т₂(x,t) - в двухфазной зоне и Т₃(x,t) - в твердой корке; c₁(t) и c₃(t) - соответственно координаты фронтов начала и конца затвердевания.

Если внутри интервала кристаллизации сплава выбрать температуру, равную, например, 1/2Ч(Т_L + T_S ), и принять, что к моменту ее достижения в двухфазной зоне практически заканчивается процесс кристаллизации (Рис.5-1), то кинетику затвердевания можно характеризовать скоростью нарастания твердой корки x(t). Для математического описания такого варианта схемы можно использовать все уравнения и соотношения, которые были получены Г.Ф.Баландиным [34] применительно к схеме затвердевания металлов и эвтектик. Необходимо лишь вместо c₃(t) подставить координату c₂(t) условного фронта затвердевания (Рис.5-1) и Т_кр заменить 1/2Ч(Т_L + T_S):

(5-1)

(5-)

(5-)

(5-)

(5-)

Несмотря на очень грубую схематизацию процесса затвердевания, с помощью рассмотренного способа математического описания можно достаточно просто, но, естественно, приближенно рассчитать линейную скорость затвердевания U, которая необходима для практического применения экспериментальных данных и диаграмм, устанавливающих связь свойств и структуры отливки со скоростью ее затвердевания [34].

Данная математическая модель справедлива для отливки в виде неограниченной плиты. Правомерно ли ее использование в данном случае ?

Рис.5-2. Схемы для сравнения плоской и полой цилиндрической отливки

Сравним плоскую отливку (плиту) с простейшим полым бесконечным цилиндром (Рис.5-2), т.к. в нашем случае основной элемент конструкции отливки теплообменник - труба, т.е. полый цилиндр.

Известно, что все поверхности, ограничивающие плиту, имеют радиус кривизны, равный бесконечной величине. Поэтому, если радиус кривизны боковых поверхностей плиты обозначить через r₀, то отношение 2l₀/r₀ = 0. Следовательно, любую неплоскую отливку, у которой отношение толщины s ее тела к радиусу кривизны r₀ ее поверхности будет весьма малой величиной, можно приближенно рассматривать как плоскую, т.е. если

(5-)

то отливка плоская.

Еще одно очевидное свойство плоской отливки в том, что у нее обе боковые поверхности F₁ и F₂ равны друг другу. Поэтому любую неплоскую отливку, у которой отношение

(5-)

можно приближенно рассматривать как плоскую. Неравенство (5-) и выражение (5-) связаны между собой. Так, для полого цилиндра (втулки)

(5-)

Допустим, что при приближенных расчетах затвердевания возможно пренебречь разницей, составляющей 20 %, между площадями наружной F₁ и внутренней F₂ поверхностей тела отливки. Другими словами, примем, что при F₂/F₁ = 0.8 величина F₁ » F₂. Тогда для полого цилиндра s/r₀ = 0.2. Следовательно, можно условиться, что при [34]

(5-)

отливки тонкостенные, и в расчетах затвердевания они являются плоскими.

Анализ номенклатуры литых деталей машиностроения и приборостроения показывает, что подавляющее большинство отливок удовлетворяет требованию (5-); это - корпусные детали, детали арматуры, кронштейны, станины и т. п. Правда, соответствие требованию (5-) нельзя понимать в буквальном смысле. На таких деталях, конечно, есть бобышки, приливы, утолщения, ребра и другие элементы, толщина которых отличается от толщины основного тела. Говоря о соответствии требованию (5-) имеем в виду толщину и радиусы кривизны поверхности основного тела (или среднюю толщину тела и средний радиус кривизны для детали в целом) [34].

Отливка теплообменник удовлетворяет этим условиям, т.к. s = 8 мм, r₀= 38 мм,

(5-)

Следовательно, данная математическая модель справедлива для расчетов затвердевания отливки теплообменник.

РАСЧЕТ ЗАТВЕРДЕВАНИЯ

Используя общее решение задачи затвердевания с помощью математической модели (5-1)-(5-) возможно решить конкретные инженерные задачи, связанные с затвердеванием отливки.

Так, для данной отливки возможно произвести расчет ее затвердевания. Продолжительность затвердевания отливки t₃ определяем по формуле [34]:

(5-)

где L_E - удельная теплота кристаллизации эвтектики, Дж/кг;

b₄ - коэффициент теплоаккумуляции формы, Дж/м²КЧс^0,5 или ВтЧс^1/2/м²К;

R₀ - приведенный размер;

Т_Е - температура эвтектики сплава, К;

r₃ - плотность отливки, кг/м³;

Т_ф - температура формы, К;

t₁ - время полного охлаждения перегретого расплава, К.

(5-)

где С₁ - удельная теплоемкость расплава, Дж/кгЧК;

r₁ - плотность расплава, кг/м³.

Т_Н = 1/2 (Т_n + Т_L), Т_н » Т_зал;

Т_Н = 1/2 (Т_зал + Т_L),

где Т_зал - температура заливки, К;

Т_L - температура ликвидуса, К.

Рис.5-3.

На Рис.5-3,а приведена кривая изменения скорости затвердевания тела отливки в зависимости от времени. Расчет выполнен по

(5-)

где V_Е - температура эвтектики,

для t і t₁.

На Рис.5-3, б представлено распределение линейной скорости затвердевания в теле отливки. График построен по формуле

(5-)

при к = 0,

где l₀ = r₀ - характерный приведенный размер, равный половине толщины отливки.

Распределение скорости затвердевания неоднородно: в центре тела скорость более, чем в 2 раза меньше скорости у поверхности (Рис.5-3). С помощью структурной диаграммы [34] по средней скорости затвердевания и скорости затвердевания у поверхности и в центре отливки, а также химическому составу чугуна (чугунный лом - тормозные колодки от железнодорожных вагонов, химический состав: Si - 1.18 %, Mn - 0.61 %, C - 3.47 %, P - 0.185 %, S - 0.083 %) и НВ = 229, определяем структуру чугуна. Судя по этой диаграмме, основной структурой данной отливки является феррит, причем концентрация его от поверхности к середине увеличивается, что и подтверждает структура реальной отливки (Рис.5-4).

Рис.5-4.

Эта структура является не желательной для отливки теплообменник, т.к. ферритная структура плохо работает при повышенных давлениях, в результате чего отливка дает течь. Необходимо изменить ферритную структуру на перлитную.

ПРИМЕНЕНИЕ ЭВМ

Для приближенного инженерного решения математической модели и построения графиков скорости затвердевания и эквивалентной скорости затвердевания (Рис.5-3) с помощью ЭВМ, использовалась авторская программа. Программа написана на языке высокого уровня TURBO Pascal 7.0.

Результаты расчетов выведены на магнитные носители информации при помощи САПР “Аuto CAD 12”.

Исходные данные для расчета и текст программы см. приложение.

ГЕРМЕТИЧНОСТЬ ЧУГУНОВ

Под герметичностью чугуна понимают его способность противостоять проникновению через него находящихся под давлением жидкости или газа [24].

Герметичность чугуна во многом зависит от физического его состояния и, в частности, от наличия в нем пористости. Герметичность и пористость чугуна являются взаимно связанными величинами, одна из которых обусловливает другую. Поэтому оценка герметичности чугуна в дальнейшем будет произведена на основании пористости.

РАЗНОВИДНОСТИ НАРУШЕНИЙ ПЛОТНОСТИ СЕРОГО ЧУГУНА

Целесообразно различать следующие виды пористости чугуна:

а) микропористость - обуславливается пространством графитовых включений, а также межкристаллическим пространством;

б) макропористость - является следствием образования рассредоточенной пористости типа усадочной, газовой и пр.

в) грубая пористость - имеет место при образовании в отливках грубых пороков, таких как усадочные, песчаные, шлаковые раковины, трещины, неслитины и т.

Микропористость

При анализе микропористости полагаем:

- что плотность графитных включений не зависит от формы, характера и залегания, и во всех случаях равна 2.25 г/см³;

- межкристаллическое пространство по сравнению с объемом графитовых включений очень мало и поэтому в дальнейшем оно учитываться не будет;

- плотность основной металлической массы для всех исследуемых образцов чугуна является постоянной величиной, равной 7.8 г/см³ .

На основании принятых выше условий можно предполагать, что микропористость чугуна в основном образуется за счет пространства, занимаемого графитными включениями [24]. Пространство графитных включений определяется количеством свободного углерода - С_гр:

С_гр = С_общ - С_связ,

(6-1)

Общее содержание углерода С_общ и связанный углерод определяются химическим анализом. Кроме того, количество связанного углерода определяется структурой металлической основы, при этом

С_связ = 0.8ЧК_п,

(6-)

где К_п - количество перлита в металлической основе чугуна.

При определении микропористости целесообразно пользоваться относительными величинами количества и объема графита, а также основной металлической массы чугуна [24].

Если обозначить:

g_гр - удельный вес графита;

g_м - удельный вес металлической основы чугуна;

g_гр - относительный вес графита в чугуне;

g_м - относительный вес;

К_гр - относительный объем графита в чугуне;

К_м - относительный объем металлической части чугуна,

тогда относительный объем графита и металлической части

чугуна определяются по формулам (6-),(6-).

(6-)

(6-)

где V_гр и V_м - абсолютные объемы графита и металла.

Формулы (6-),(6-) позволяют определить относительный объем графита и металлической основы чугуна в зависимости от его химического состава.

(6-)

аналогично:

(6-)

Зная относительный объем графитных включений, можно определить расчетную плотность чугуна, при условии отсутствия в нем микропористости.

g_т = К_грЧg_гр+К_мЧg_м.

(6-)

Величина g_т называется теоретическим удельным весом чугуна.

Формулой (6-) для определения теоретического удельного веса чугуна не всегда удобно пользоваться, т.к. для этого необходимо знать относительные объемы графита и металлической основы чугуна.

Подставляя в формулу (6-) значения К_гр и К_м из формул (6-) и (6-) после преобразования получим:

(6-)

т.к. g_гр+g_м = 1, тогда:

(6-)

В качестве критерия для оценки микропористости следует принять количество свободного углерода в чугуне, а также характер его расположения, имея ввиду степень разобщения металлической основы чугуна.

Как известно, графит в чугуне может иметь пластинчатую, хлопьевидную или глобулярную форму, кроме того, графитные включения отличаются между собой размерами и характером залегания.

МАКРОПОРИСТОСТЬ

Макропористость чугуна обуславливается рассредоточенной газовой и рассредоточенной усадочной пористостью. Такой вид пористости отличается небольшими размерами газовых и усадочных пор, которые обычно по объему отливки располагаются более или менее равномерно [24].

Макропористость определяется в относительных величинах или в процентах. Для определения макропористости серого чугуна используется следующая формула:

(6-)

где g_т - теоретический удельный вес серого чугуна;

g - действительный удельный вес чугуна.

Макропоры в зависимости от их величины очень резко снижают герметичность чугунных отливок. Их появление в чугуне зависит от большого числа факторов.

Так рассредоточенная газовая пористость образуется за счет выделения растворенных или реакционных газов в чугуне. Растворимость газов в металле зависит от температуры и давления. На Рис.6-1 показана кривая растворимости водорода в железе [30].

Рис.6-1. Растворимость водорода в железе

На этой кривой имеются участки, которые характеризуют собой растворимость газа в твердых металлах, в период расплавления и в жидком состоянии. Переход от одного состояния в другое сопровождается скачкообразным изменением растворимости газов.

Растворимость газов в зависимости от давления определяется из формулы [24]:

(6-)

где Q - количество растворенных газов;

Р - давление;

К - постоянная величина.

Реакционные газы образуются в следствие химических реакций, имеющих место в сплаве, при повышенном содержании в них окиси железа.

FeO + C = CO + Fe

Образование газов приводит к появлению в металле отдельных пузырьков. В зависимости от свойств металла и скорости газообразования, пузырьки принимают те или иные размеры и начинают двигаться вверх; скорость движения пузырьков определяется из формулы Стокса:

(6-)

где r - диаметр пузырька ;

g - ускорение свободного падения;

h - вязкость жидкого металла.

Согласно этой формулы величина пузырьков зависит от плотности и вязкости жидкого металла. Степень газонасыщенности отливки определяется количеством растворенных газов в металле, а последняя зависит от его раскисленности и режим охлаждения самой отливки.

Касаясь рассредоточенной усадочной пористости, следует напомнить, что она определяется объемной усадкой, которая, в свою очередь, зависит от температурного интервала кристаллизации серого чугуна. С увеличением углеродного эквивалента в чугуне общий объем усадочной пористости уменьшается.

Важным фактором, влияющим на образование усадочной пористости, является также жесткость литейной формы: чем больше жесткость формы, тем меньше объем усадочных пороков. Поэтому при литье в сухие формы и в формы из жидкостекольных и цементных смесей часто не требуется простановка прибылей, в то время как при литье в сырые формы они необходимы.

Рассеянная пористость в отливках, как правило является результатом совместного образования газовой и усадочной пористости.

ГРУБАЯ ДЕФЕКТНАЯ ПОРИСТОСТЬ

Грубая дефектная пористость обуславливается различными макропороками отливок, которые обычно являются браковочным признаком [24]. К ним относятся местные и рассеянные газовые, земляные, шлаковые, усадочные раковины, неслитины, спаи, трещины и.т.д.

Такие дефекты приводят к местным нарушениям сплошности чугуна и резкой потере его герметичности.

Пористость чугуна является важной характеристикой определяющей его герметичность. Под пористостью следует понимать отношение объема пор к объему образца.

(6-)

где V₁ - объем макро- и микро пор;

V₂ - объем образца.

Как указывалось выше, в сером чугуне имеются поры заполненные графитом и поры, свободные от него.

Относительный объем пор занятых графитом, определяется по формуле (6-).

Относительный объем свободных от графита можно определить по формуле (6-).

Общая относительная пористость или просто пористость будет равна сумме этих видов пористости:

m = К_гр + К.

(6-)

ФИЗИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ГЕРМЕТИЧНОСТИ СЕРЫХ ЧУГУНОВ

Серые чугуны представляют собой очень сложные железоуглеродистые сплавы, заключающие в себе большое количество изолированных друг от друга свободных и заполненных графитом пор самой разнообразной формы и размеров. Характер пор в чугуне, их размер и количество зависят от многих факторов, основными из которых являются: химический состав, структурное строение, технология изготовления отливок, их термообработка и условия эксплуатации.

При воздействии на отливку жидкости, находящейся под высоким давлением, эта жидкость проникает в поры чугуна, а затем, если не встречает достаточного сопротивления, она просачивается дальше в тело отливки.

Процесс просачиваемости чугунов является очень сложным и в настоящее время остается почти не изученным. Опыты, проведенные в этом направлении многими исследователями, не раскрывают в достаточной мере механизма просачиваемости жидкости через тело чугунных отливок. В связи с этим оценка просачиваемости чугунов в настоящее время производится по двухбалльной системе - “текут”, “не текут” [24].

Просачиваемость чугунов находится в обратной зависимости от их плотности или так называемой герметичности. Поэтому изучение свойств просачиваемости или проницаемости обычно ведется по величине, обратной их проницаемости.

Движение жидкости в порах чугуна является чрезвычайно сложным процессом. Даже в простейших случаях фильтрации, когда пористая Среда образована из большого количества систематически уложенных шаров, точного гидромеханического решения движения жидкости не имеется. Впрочем, это не так важно, т.к. при изучении герметичности чугунов в большей степени имеют значение усредненные характеристики потока жидкости также как скорости просачивания, расхода и т.д., а не форма движения жидкости в самих порах.

В настоящее время создана достаточно обоснованная теория движения жидкости и газов в естественных пористых средах. В ней разработаны основные положения в случае движения жидкостей и газов в естественных пористых средах и определены физические законы фильтрации.

В первом приближении движение жидкости через стенки чугунных отливок, находящихся под большим давлением, должны подчиняться тем же самым закономерностям, что и движение жидкостей в естественных пористых средах [24].

Однако при движении жидкости в порах чугуна имеются существенные различия, которые по нашему мнению будут заключаться в следующем:

1. Естественные пористые среды имеют сплошные каналы, а серые чугуны - изолированные поры. Поэтому потери давления во втором случае будут определяться не только внутренним сопротивлением движения жидкости в порах, но и сопротивлением, возникающим в результате разрушения основной металлической массы, расклинивающим действием жидкости.

2. Перепад давлений, даже при незначительной толщине стенок отливок гидросистем, всегда будет значительно больше по сравнению с перепадом давления при фильтрации в естественных пористых средах.

3. Высокие давления в отливках, как правило, вызывают в них деформации, что оказывает существенное влияние на герметичность чугуна.

4. Скорость просачивания жидкости в чугуне значительно меньше скорости фильтрации в пористых средах. Поэтому динамическими и инерционными факторами, имеющими место при просачивании в дальнейшем при изучении этого явления можно пренебречь.

5. Наконец, самое главное отличие состоит в том, что при фильтрации в естественных пористых средах основной целью является увеличение скорости фильтрационного потока и, следовательно, увеличению расхода жидкости, в то время как при изучении герметичности серых чугунов главной целью является изыскание материалов, обладающих максимальной герметичностью, которая обуславливала бы минимальную или же нулевую скорость движения потока.

Указанные выше различия, естественно, вносят существенные поправки в те или иные уравнения движения жидкости в процессе фильтрации, но не изменяют самих условий, характера и законов движения этой жидкости в теле чугунных отливок гидросистем.

Поэтому в дальнейшем при выводе основных закономерностей при исследовании проницаемости серого чугуна или обратной величины нами были использованы все известные элементы теории течения однородных жидкостей и газов в пористой недеформируемой среде.

Для изучения законов проницаемости чугуна прежде всего необходимо было установить зависимость расхода и скорости движения просачиваемости жидкости от ее давления и герметичности чугуна. Эту закономерность необходимо установить в пределах малых площадок, величина которых, однако, велика по сравнению с размерами пор. В этом случае среднюю скорость движения жидкости через элементарную площадку чугуна можно определить по формуле [24]:

(6-)

где V - средняя скорость движения жидкости через элементарную площадку чугуна;

DW - количество просочившейся жидкости через элементарную площадку;

Dw - элементарная площадка;

t - время.

В случае, если толщина стенки значительно меньше линейных размеров площадки и плоскости ее параллельны, тогда средняя скорость движения жидкости в порах будет выражаться уравнением:

(6-)

где W - количество просочившейся жидкости через площадку.

Но, так как поток жидкости не заполняет все пространство, а движется через часть объема занятой порами, тогда при коэффициенте пористости m скорость движения в порах Vў будет равна:

и

(6-)

или V = mV’.

Так как всегда m>1, то V = Vў.

Отсюда пространство, занятое потоком жидкости, можно назвать областью просачивания.

Очевидно, что линией движения потока жидкости будет называться такая линия, касательная в каждой точке которой совпадает с вектором скорости просачивания в этой точке.

Известно, что скорость потока жидкости V зависит от избыточного давления Р [24], действующего на стенки чугуна, от его внутреннего сопротивления движению жидкости G и от вязкости самой жидкости h, т.е.

(6-)

Внутреннее сопротивление материала G движению через него жидкости или газов по существу является герметичностью этого материала.

Приравнивая правые части (6-) и (6-) и решая их относительно G, получим математическое выражение для герметичности чугуна и для других материалов:

(6-)

Из приведенного уравнения (6-) следует, что герметичность есть такое сопротивление материала проникновению через него жидкости, имеющей вязкость h и находящейся под давлением Р, при котором за время t через площадку w проникает W миллилитров этой жидкости. Другими словами, движение жидкости, находящейся под давлением Р, столбика материала с толщиной стенки, равной толщине отливки и поперечным сечением 1 см² (Рис.6-2).

Если измерять количество просочившейся жидкости в см³, давление в кг/см², площадь образца в см², время в минутах и вязкость в °Е, тогда размерность герметичности будет выражаться в [24].

Эта единица герметичности в дальнейшем нами будет обозначаться ЕГ.

Рис.6-2. Схема к расчету единицы герметичности

ЕГ есть такая герметичность материала, при которой через площадку в 1 см² просачивается 1 см³ воды при вязкости 1°Е, находящейся под избыточным давлением, равном 1 кг/см² за 1 минуту.

В виду того, что единица ЕГ является весьма малой величиной, то в дальнейшем ее значение приводится в кЕГ и МЕГ:

1 кЕГ = 1000 ЕГ = 10³ ЕГ;

1 МЕГ = 1000000 ЕГ = 10⁶ ЕГ.

Герметичность чугуна зависит от его природных свойств, а именно: пористости, сопротивления разрушению расклинивающего действия жидкости, деформации, а также от толщины стенки отливки.

Для оценки качества материала, имея в виду его герметические свойства, целесообразно ввести понятие удельной герметичности. Удельной герметичностью называется герметичность, отнесенная к единице толщины стенки отливки, изготовленной из данной марки чугуна или данного материала. Зависимость герметичности чугуна от толщины стенки d точно еще не установлена. Поэтому удельную герметичность можно представить в такой функциональной зависимости:

G₀ = GЧf(d).

(6-)

Как будет указано ниже (рис.8.2 и 8.3), эта функциональная зависимость приближается к квадратичной и представляется в виде следующего уравнения:

(6-)

Подставляя в (6-) значения герметичности G, получим окончательную формулу для выражения удельной герметичности:

(6-)

Величины, вычисленные по (6-) достаточно хорошо совпадают с нашими опытными данными. Поэтому эту формулу в первом приближении можно рекомендовать для определения удельной герметичности стандартных марок чугунов и других материалов.

При проектировании литых деталей, работающих под повышенным давлением жидкости, желательно заранее знать, какой герметичностью должна обладать данная деталь, работающая в заданных конкретных условиях, каким образом установить и определить герметичность чугуна для этой детали.

Для выполнения поставленной задачи необходимо ввести понятие о предельной допустимой герметичности. Предельно-допустимой герметичностью материала будем называть такое его внутреннее сопротивление, при котором скорость просачивания данной жидкости, находящейся под давлением Р, будет меньше или равна допустимой скорости просачивания.

В качестве допустимой скорости просачивания целесообразно принять скорость во много раз меньшую скорости испарения жидкости с поверхности отливки. Можно задаваться допустимой скоростью просачивания и из других соображений, например, прочности отливки и т.д.

МЕТОДИКИ ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТОВ

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ГЕРМЕТИЧНОСТИ ЧУГУНА

РАЗРАБОТКА СПОСОБА И МЕТОДИКИ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ГЕРМЕТИЧНОСТИ ЧУГУНА

Разработка методики исследования герметичности чугуна велась в направлении выбора типа проб, установлении целесообразной формы и размеров темплета, определения метода испытаний, разработке оптимальных режимов испытаний, а также выявления зависимости герметичности от химического состава структуры и физического строения чугуна [24].

Известно, что подавляющее количество всех гидравлических устройств работают при одностороннем давлении до 100-150 и более атмосфер. Это условие явилось основанием для выбора метода испытания герметичности серых чугунов, при котором образец испытывается под воздействием одностороннего давления до 400 атмосфер.

При разработке методики испытания образцов на герметичность, кроме того, были приняты во внимание следующие положения:

1. Испытания герметичности чугунов должны вестись на темплетах, изготовленных как из стандартных образцов диаметром 30 мм и длиной 340 мм, так и непосредственно из готовых отливок.

2. Форма и размеры образца должны обеспечивать наиболее верные показатели герметичности чугуна.

3. Оптимальное давление при испытании герметичности чугунов должно составлять 150 - 350 атм., т.к. при более высоких давлениях имеют место неточности в определении герметичности в связи с деформацией образца.

4. Испытания герметичности чугунов должно производиться в течение минимального промежутка времени, но это положение не должно ограничивать время специальных целевых испытаний (например, определение количества просочившейся жидкости в зависимости от давления и времени).

5. В качестве жидкости для испытания принят керосин.

6. Контроль просачивания жидкости - визуальный.

Образцы или темплеты для испытания на герметичность вырезались из средней части различных проб. На стандартных пробах предварительно определяли твердость, предел прочности на изгиб и стрелу прогиба. Затем из мест, указанных на Рис.7-1, вырезались темплеты для определения удельного веса чугуна и образцы для испытания их на герметичность.

Рис.7-1. Места отбора проб из стандартного образца:

а - темплет для определения веса;

б - образцы для испытания на герметичность;

в - место определения твердости

Образец для испытаний чугуна на герметичность представляет собой (Рис.7-2) диск диаметром 29.5 мм и толщиной 3.5 мм. В нижней части образца прорезается 3 - 4 кольцевые канавки на расстоянии 1 - 1.2 мм друг от друга, служащих для лабиринтного уплотнения. В верхней части образца предусматривается кольцевая фаска Б, предохраняющая контрольную поверхность А от затекания жидкости. С целью лучшего обеспечения контроля за просачиваемостью керосина поверхность А притирается до матового состояния. Толщина рабочей части образца определяется глубиной канавки диаметром 14 мм.

Для сохранения постоянных условий испытания все образцы обрабатывали одним и тем же режущим инструментом при одних и тех же режимах резания, а именно:

число оборотов при обработке - 540 об/мин;

число оборотов при отрезании - 280 об/мин;

подача - 0.15 мм на 1 оборот.

Рис.7-2. Образец для испытаний на герметичность

Схема установки образца для его испытания на герметичность показана на Рис.7-3.

Рис.7-3. Схема для установки образца для испытаний его на герметичность:

1- образец; 2- гайка; 3- прокладка; 4- корпус

Важным условием при проведении испытаний является предупреждение просачивания жидкости между образцом и алюминиевой прокладкой, Для этой цели при каждом испытании устанавливается новая прокладка и образец зажимается гайкой посредством ключа с моментом 40-50 кгм.

Для испытания герметичности чугунов использовался специальный прибор - герметометр.

КОНСТРУКЦИЯ ГЕРМЕТОМЕТРА ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ГЕРМЕТИЧНОСТИ ЧУГУНА

Герметометр (Рис.7-4) предназначен для определения плотности (герметичности) серого чугуна различных марок, а также любых других материалов при одностороннем давлением до 1000 атмосфер.

Рис.7-4. Внешний вид герметометра

На приборе можно подвергать испытанию на герметичность как образцы, вырезанные из стандартных проб, так и образцы, взятые непосредственно из отливок. Толщина образца, в зависимости от рода материала, может колебаться от 3.5 до 5 мм.

Конструктивная схема герметометра приведена на Рис.7-5.

Герметометр состоит из клапанной системы: всасывающих 3 и нагнетающих 7 клапанов; плунжерного насоса 4; аккумулятора 9. Все части прибора смонтированы на основании.

Рис.7-5. Схема герметометра

Образец для испытания 11 устанавливается вместе с алюминиевой прокладкой в корпус аккумулятора 9 и плотно зажимается гайкой 10. Жидкость для испытания находится в резервуаре 1. Давление жидкости измеряется манометром 12. Повышение давления в герметометре осуществляется плунжерным насосом 4, который приводится в действие рукояткой 6, при этом жидкость из резервуара 1 по трубке 2 подается к плунжерному насосу. Сброс давления осуществляется винтом 13.

При испытании на герметичность возможны разрывы образцов, поэтому наблюдаемая поверхность образца должна быть ограждена прозрачным защитным устройством.

Испытание образцов на герметичность должно производиться при выполнении следующих условий:

• образец должен быть промыт в бензине;

• перед закреплением образца, с целью удаления воздуха, необходимо произвести подкачку жидкости до появления ее под прокладкой;

• зажатие гайки производится ключом до отказа;

• контрольная поверхность образца снова промывается бензином и высушивается;

• повышение давления должно осуществляться ступенями 10, 20, 30, 50, 75, 100, 125, 150 и затем через каждые 50 атмосфер. Для образцов с высокой герметичностью допускается начинать испытания при более высоких давлениях, но не менее, чем за две ступени до появления течи. Время выдержки на каждой ступени - 15 мин;

• образец снимается после сброса давления, при испытании прибор должен быть огражден защитным приспособлением.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТВЕРДОСТИ ЧУГУНА

ТВЕРДОСТЬ КАК ХАРАКТЕРИСТИКА СВОЙСТВ МАТЕРИАЛОВ

Под твердостью (Т) понимают сопротивление материала местной пластической деформации, возникающей при внедрении в него более твердого тела - индентора [31]. Твердость можно измерять вдавливанием наконечника (индентора) - способ вдавливания, царапаньем поверхности - способ царапанья, ударом или по отскоку наконечника - шарика. Наибольшее распространение получил метод вдавливания. В результате вдавливания под достаточно большой нагрузкой поверхностные слои металла, находящиеся под наконечником и вблизи него, пластически деформируются. После снятия нагрузки остается отпечаток. Таким образом, твердость характеризует сопротивление пластической деформации и представляет собой механическое свойство металла.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТВЕРДОСТИ МЕТАЛЛОВ МЕТОДОМ БРИНЕЛЛЯ

Определение твердости металла методом Бринелля осуществляется по ГОСТ 9012-59. Метод основан на том, что в плоскую поверхность металла (или другого материала) вдавливается под постоянной нагрузкой (Р) твердый стальной шарик; по величине поверхности отпечатка, оставляемого шариком, определяют значение Т. Диаметр отпечатка (в двух взаимно перпендикулярных направлениях) измеряют с помощью лупы, на окуляре которой нанесена шкала с делениями, соответствующими 0.05 мм. Для определения Т следует принимать среднюю из полученных величин.

Число твердости по Бринеллю (НВ) определяется отношением нагрузки, действующей на шарик к поверхности отпечатка:

(7-1)

где Р - нагрузка на шарик, Н;

F - поверхность отпечатка, м²;

D - диаметр вдавливаемого шарика, м;

d - диаметр отпечатка, м.

Записывается твердость по Бринеллю в единицах НВ, например 300 НВ (3000 МПа). Получаемое число Т при прочих равных условиях определяется диаметром отпечатка d. Последний тем меньше, чем выше твердость испытуемого металла. Однако получение постоянной и одинаковой зависимостей между величиной нагрузки и диаметром отпечатка, необходимы для точного определения твердости, сравнительно надежно достигается только при соблюдении определенных условий. При вдавливании шарика на разную глубину, т.е. разной нагрузкой для одного и того же материала, не соблюдается закон подобия между полученными диаметрами отпечатка.

Наибольшие отклонения наблюдаются, если шарик вдавливается с малой нагрузкой и составляет отпечаток небольшого диаметра, или вдавливается с очень большой нагрузкой и оставляет отпечаток большого диаметра, приближающегося по величине к диаметру шарика. Поэтому твердость измеряют при постоянном соотношении между величиной нагрузки Р и квадратом диаметра шарика D².

Это соотношение должно быть различным для металлов разной твердости. Методом Бринелля измеряют твердость металлов до 450 НВ. Государственным стандартом установлены нормы для испытаний по Бринеллю (Таблица 7-1).

Измерения твердости по методу Бринелля производится на прессах - гидравлических или механических.

ПОРЯДОК РАБОТЫ НА ПОЛУАВТОМАТИЧЕСКОМ ПРИБОРЕ 2109 ТБ

Подготовку прибора к работе по определению твердости металлов проводится в такой последовательности:

• в зависимости от условий испытаний устанавливается соответствующий наконечник в шпиндель, предварительно сняв упор;

Таблица 7-1

Условия испытания металлов на Т по Бринеллю

Металлы	Твердость, НВ	Толщина образца, мм	Соотношение между Р и D2	Диаметр шарика D, мм	Нагрузка Р, кг	Выдержка под нагрузкой ,с
Черные	140-450	6-3	Р = 30D2	10	30	10
		4-2		5	75	10
		> 2		2,5	187,5	10
Черные	Ј 140	> 6	Р = 10D2	10	30	10
		6-3		5	25	10
		> 3		2,5	62,5	10

• по Таблица 7-1 выбирается нагрузка и соответствующий диаметр шарика, устанавливается на подвеску набор грузов, учитывая, что рычажная система с подвесками создает нагрузку 1.839 кН;

• на предметный стол устанавливается контролируемое по твердости изделие так, чтобы оно лежало устойчиво и не имело возможности сместиться или прогнуться во время испытаний;

• переключатель режима работ устанавливается в положение РУЧН. или АВТ. Переключатель режима работы устанавливается в положение РАБОТА;

• реле времени устанавливается на заданное время;

• стол с изделием перемещается в верхнее положение маховиком до соприкосновения с индентором и далее до запирания его механизмом останова (щелчка электромагнита);

• если переключатель режима работ стоит в положении РУЧН., нажимается кнопка ПУСК, а если в положении АВТ., нагрузка прикладывается автоматически. Происходит внедрение индентора в испытуемое изделие;

• измеряется диаметр отпечатка с помощью микроскопа МПБ-2 и по стандартным таблицам определяется значение твердости.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ МАКРОСТРУКТУРЫ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ

МАКРОАНАЛИЗ СТРОЕНИЯ МЕТАЛЛОВ

Макроскопический анализ заключается в определении строения металла невооруженным глазом или при небольшом увеличении (до 30 раз) [32]. Это наиболее простой метод. Он позволяет сделать предварительную оценку качества металла, а именно, определить плотность металла по наличию пор, раковин и других дефектов, прочность по величине зерна, химическую неоднородность по ликвации отдельных элементов и т.д.

Макроанализ особенно важен для


29-04-2015, 04:11