Якість виливків визначається не тільки фізико-механічними, а й такою ливарною властивістю, як тріщиностійкість металу, при його затвердінні в ливарній формі.

Тріщиностійкість литого металу визначається температурними, деформаційними і силовими характеристиками процесу утворення і розвитку тріщин в умовах ускладненої усадки. Широко застосовуються ступінчасті проби, що в основному фіксують процес поширення тріщини, оскільки визначення моменту зародження тріщини пов'язано з істотною похибкою, що вноситься конструктивним елементом, який створює ускладнену усадку металу.

З метою вивчення температурних, деформаційних і силових умов зародження і поширення тріщини розробили пристрій, що дозволяє проводити комплексометричний контроль процесу зародження та розвитку тріщин в умовах ускладненої усадки металу

Методичним питанням визначення характеристик тріщіностійкості виливків присвячені численні роботи [1-11]. Аналіз літературних даних показує, що найбільшого поширення набули пристрої, принцип дії яких заснований на одночасній реєстрації температури і деформації зразка в процесі його утрудненої усадки після заливки металу в ливарну форму. В цьому випадку температурні, деформаційні і силові параметри процесу визначаються в результаті аналізу аномальних ділянок залежності «температура – деформація» [5-8]. Однак застосування відомих пристроїв не дозволяє з достатньою точністю фіксувати умови утворення тріщин, оскільки точність вимірювання деформації зразка обмежується чутливістю конструктивного елементу гальмуючого ливарну усадку.

Крім того відомо [12], що утворення тріщин на перших етапах процесу супроводжується повним або частковим їх «заліковуванням» рідким металом, що гальмує в цей момент аномальний розвиток деформації виливки в умовах утрудненої усадки.

Одним з методів визначення мікро- і макродефектів кристалічної будови металу є вимір його електричного опору [13-15]. Тому при проведенні експериментів по дослідженню тріщіностійкості литих сталей одночасно з вимірюванням деформації і температури металу необхідно визначати зміну електричного опору ділянки зразка, в якому відбувається утворення і розвиток тріщин.

У зв'язку з тим, що експериментально і аналітично складно визначення умов утворення тріщин в процесі охолодження виливка після затвердіння, необхідна розробка пристрою для комплексометрічного контролю параметрів тріщиноутворення ливарних сплавів, який дозволить в умовах утрудненою усадки одночасно реєструвати деформацію, електричний опір і температуру виливка і визначити температурні межі інтервалу гарячеламкості, напругу і відносне подовження при яких відбувається зародження тріщин, а також деформацію виливка в інтервалі гарячеламкості.

Розроблений пристрій для комплексного визначення характеристик тріщиностійкості сплавів складається з опоки 1, в якій формується ступінчаста проба 2, ливникової чаші 3, болтів 4 для односторонньої фіксації металу, що затвердіває, термопари 5, тяги 6, що послідовно з'єднує пластину 7, яка пружно деформується, з затвірдіваючим металом, феродинамічного датчика  лінійних переміщень 8 (відтарірованого на зусилля), який з точністю до 0,1% перетворює лінійні переміщення в електричні сигнали, потенціометра 10, який реєструє деформацію і температуру (рис. 1).

На відстані 0,025 довжини проби від центру термічного вузла встановлювали електроди 11 вимірювального ланцюга. У центрі термічного вузла встановлювали дублікат 12 електродів вимірювального ланцюга. Електроди вимірювального ланцюга і дублікат підключали до універсальних вимірювальних приладів 13 і 14.

Рис. 1. Схема пристрою для визначення тріщиностійкості ливарного сплаву

З метою підвищення точності вимірювань електроди виготовляли з матеріалу з мінімальним електроопором (наприклад дріт діаметром 1,6 мм зі сталі 10) і підключали до універсального вимірювального приладу, який працює за принципом подвійного моста.

Для усунення перешкод і побічних ефектів, не пов'язаних з процесом утворення тріщини, в центрі термічного вузла між проводами вимірювального ланцюга встановлювали дублікат, що фіксував рівень перешкод і побічних ефектів. Різниця між показниками електричного опору проводів вимірювального ланцюга і дублікатом показувала електроопір термічного вузла пов'язаного з появою тріщини та дозволяла визначити момент утворення тріщини і синхронізувати його з температурними, силовими та деформаційними параметрами процесу тріщиноутворення литого сплаву при затвердінні.

Для підвищення точності вимірювань електроди вимірювального і дублюючого ланцюга необхідно виготовляти з однаковим мінімальним електричним опором, оскільки зі зменшенням електричного опору електродів зменшується величина абсолютної похибки вимірювань.

З метою спрощення конструкції установки і отримання синхронної інформації про навантаження і деформацію в процесі утворення тріщин, в якості пристрою для створення утрудненою усадки використовували упругодеформірующую пластину (виконану з ресорної сталі), яку встановлювали між ливарної формою і датчиком лінійних переміщень і послідовно з'єднували з металом, що  затвердіває, і датчиком за допомогою тяг.

З підвищення точності вимірювання, в якості перетворювача лінійних переміщень в електричні сигнали використовували феродинамічний датчик, що встановлювали після датчика лінійних переміщень і який перетворював сигнали з точністю до 0,1 %.

Центр сполучення порожнини ливарної форми, що утворює перехід від одного діаметра до іншого, визначали, як точка переходу від одного радіуса кривизни до іншого, що віднесена до осі ступінчастою проби (рис. 2 а, точка С).

Електроди 11 вимірювального ланцюга встановлювали на відстані 0,25-0,5 великого діаметра (D₂) порожнини ливарної форми від центру сполучення (точка С), а в центрі сполучення встановлено дублікат 12 електродів вимірювального ланцюга (рис. 2 б).

Нашими дослідженнями встановлено, що на ділянці виливка на відстані            0,25-0,5 великого діаметру від центру сполучення в бік малого та великого діаметру виникають максимальні напруги, внаслідок сполучення різних діаметрів виливки при затвердінні стали, що призводить до утворення і розвитку тріщин. Установка електродів вимірювального ланцюга на відстані 0,25-0,5 великого діаметру від центру сполучення дозволяє досліджувати оптимальний обсяг металу, в якому відбувається процес зародження і розвитку тріщин і одночасно реєструвати комплекс температурних силових і деформаційних характеристик процесу утворення тріщин.

а

б

Рис. 2. Схема сполучення (а) і установки електродів (б) в ливарній формі

Реєстрація струму розбалансу моста, показань датчика температури (попередньо відтарованого за показниками термопари, встановленої в місці зародження тріщини) і величини ускладненої усадки D на багатопозиційному реєстраторі 14 дає можливість фіксувати процес утворення та розвитку тріщини при ускладненої усадки литого металу, Для реєстрації силового параметра використовується тарировочна залежність деформації упругодеформуемої пластини (D, мм) від прикладеного навантаження (Р, Н), що має наступний вигляд:

,                                      (1)

Пристрій для вивчення тріщиностійкості ливарних сталей при затвердінні працює наступним чином. Розплавлений метал заливають крізь ливникову чашу 3 в ливарну форму 1 для отримання ступінчастої проби 2. Метал, що кристалізується фіксується з одного боку болтами 4, з іншого – пружно деформуючої  пластиною 7 криз тягу 6 створюється ускладнена усадка, яка у вигляді деформації реєструється датчиком 8 (попередньо відтарованого на навантаження) перетворюється датчиком 9 і записується потенціометром 10 одночасно з показниками термопари 5 (попередньо відтарованої за показаннями термопари, встановленої в термічному вузлі). Це дає можливість одночасно визначати температурні, силові і деформаційні характеристики процесу утворення та поширення тріщини.

Для одночасного визначення температурних і силових параметрів процесу утворення тріщини при заливці металу включається вимірювальний електричний ланцюг, який реєструє електричний опір термічного вузла і дублюючий електричний ланцюг, який реєструє рівень перешкод, пов'язаних з температурою металу.

По різниці електричного опору вимірювального та дублюючого ланцюга визначається справжній електричний опір термічного вузла, який при появі тріщини збільшується в 2-3 рази. Фіксація моменту утворення тріщини в часі за показниками приладів 13 і 14 дозволяє зв'язати процес тріщиноутворення з температурними, деформаційними і силовими характеристиками утрудненої усадки реєструючим потенціометром 10.

В результаті однієї заливки одночасно визначається комплекс температурних, силових і деформаційних характеристик процесу утворення тріщин литого сплаву при затвердінні.

Для оцінки ефективності застосування розробленого пристрою визначили параметри процесу утворення та розвитку тріщин в процесі ускладненої усадки стали 50Л після заливки в сиру піщано - глинисту  форму при 1600 °С. Результати експериментів наведені на рис. 3.

Видно, що за величиною деформації (D) момент утворення тріщини можна визначити наближено. У той же час поява горизонтальної площадки (А) на кривій I_р свідчить про порушення суцільності металу в місці сполучення ступінчастою проби.

Наступна експериментальна точка (В) на кривій I_р пов'язана з остаточним руйнуванням металу, що збігається з точкою (С) на кривій деформації.

Результати виконаних досліджень показують, що розроблений пристрій дозволяє проводити комплекснометричний контроль умов утворення та розвитку тріщин в литому металі при охолодженні після затвердіння.

В результаті виконаної роботи розроблено пристрій для комплексометрічного контролю параметрів тріщиноутворення ливарних сплавів, який дозволяє в умовах ускладненої усадки одночасно реєструвати деформацію, електроопір і температуру виливки, а також визначати температурні межі інтервалу гарячеламкості, напругу і відносне видовження при яких відбувається зародження тріщин, деформацію виливку в інтервалі гарячоламкості та процес поширення тріщин при охолодженні виливків після затвердіння.

а                                                                б

Рис. 3. Зміна деформації, струму розбалансу (а) і температури (б) при утворенні та розвитку тріщин в процесі ускладненої усадки сталі 50Л після заливання в сиру піщано-глинясту форму

Література

1.  Баландин Г.Ф. Основы теории формирования отливки, т 2. – М.: Машиностроение, 1979. – 335 с.

2.  Новиков И.И. Горячеломкость цветных металлов и сплавов.-М.: Наука,1966. – 300 с.

1. Константинов Л.С., Трухов А.П. Напряжения деформации и трещины в отливках, М.: Машиностроение, 1981. – 199 с.
2. Бокштейн С.З. Строение и свойства металлических сплавов.-М.: Металлургия, 1971. – 496 с.
3. Трубицын Н.А. Усадка стали при охлаждении в форме и образование горячих трещин в отливках // Взаимодействие литейной формы и отливки.-М.: Наука, 1962. – С. 99-108.
4. Ван Эгем Ж., Де Си А. О механизме образования горячих трещин в стальном литье. Практический образец для изучения склонности к трещинообразованию.// Труды 32-го международного конгресса литейщиков.-М.: Машиностроение, 1969. – С. 14-32.
5. Изучение кинетики разрушения металла в процессе формирования отливки/ А.Г. Крючков, Л.Г. Грибов, А.В. Овчинников// Литейное  производство, 1981. – С. 22-23.
6. Михайлов А.М., Тимофеев А.А., Требухин В.В. Температурный интервал чувствительности сплавов к литейным напряжениям и деформациям//Литейное производство, 1982. – С. 4-5.
7. А. с. 123292 СССР, МКИ  G01 В 7/02. Прибор для определения линейной усадки сплава и стойкости против образования горячих трещин/ Н.А.Трубицын (CCCP). – С. 2.
8. А. с. 204510 CCCP, МКИ В22 Д 35/00. Устройство для определения линейной усадки сплава и стойкости против образования горячих трещин /Г.П.Зырин, Я.Г.Ашуха (CCCP). – С. 3.
9. А. с. 885877 CCCP, МКИ  G 01 N 33/20. Устройство для определения трещиноустойчивости и линейной усадки сплава/А.П. Лысов, Б.Ш. Танкелевич, Р.П. Бродовских (CCCP). – С. 4.
10. Гуляев Б.Б. Теория литейных процессов.- Л.: Машиностроение,1976. – С. 216.
11. Лившиц Б.Г., Крапошин В.С., Линецкий Я.Л. Физические свойства металлов и сплавов. – М.: Металлургия, 1980. – С. 320.
12. Черепин В.Т. Экспериментальная техника в физическом металловедении. – Киев: Техника, 1968. – С. 280.
13. Чернобровкин В.П. Механические свойства литого металла. М.: Наука, 1963. – С. 308.
14. Электрические измерения / В. Н. Малиновский, Р. М. Демидова-Панферова, Ю. И. Евланов – М.: Энергоатомиздат, 1985. – С. 416.