Кокиль для получения плоских образцов

Изобретение относится к металлургии и может быть использовано для получения литых плоских стандартных образцов и образцов с концентратором напряжений. Кокиль содержит две полуформы с вертикальным разъемом, в плоскости которого расположена литниковая система. В кокиле установлены сменные вкладыши. Формообразующие поверхности вкладышей имеют ступеньки, расположенные зеркально и параллельно плоскости симметрии кокиля. Ширина ступеньки равна 1/4-1/2 ширины расчетной базы образца. Длина ступеньки равна рабочей части образца с учетом сопряжений с захватными частями. Высота ступеньки равна сумме толщин 3-5 образцов. Кокиль может быть снабжен прямоугольным стержневым элементом, расположенным симметрично оси полости кокиля и расчетной части образца. Литниковая система содержит стояк, обратный стояк с увеличивающимся кверху сечением, сетчатый фильтр, щелевой питатель с порогом и захолаживающими ребрами. Длина и количество ребер убывает кверху. Обеспечивается повышение достоверности и воспроизводимости результатов испытаний на прочность при растяжении при нормальных и повышенных температурах и физико-химических взаимодействий с корродиентами. 1 з.п. ф-лы, 3 ил., 2 табл.

 

Изобретение относится к металлургии, преимущественно к устройствам для получения литых плоских стандартных образцов для механических испытаний на растяжение и плоских образцов с концентратором напряжений.

Известны кокили для получения отдельно отлитых образцов для механических испытаний литого металла квадратного или прямоугольного сечения [1].

Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является кокиль для изготовления специальной приведенной отливки, позволяющей получить посредством вырезки из нее несколько плоских образцов одного типоразмера толщиной α₀, которые имеют по внешнему периметру литейную корку, а в сечениях характерные структурно-кристаллические зоны, ориентированные от внешней поверхности отливки к ее центру [2].

Кокиль имеет массивную прибыль, позволяющую производить заливку его полости "сверху" через прибыль, а также обеспечивать последовательную кристаллизацию металла в зоне рабочих сечений приведенной отливки. В последнем случае в кокиле не соблюдаются факторы подобия между условиями формирования литой структуры в рабочей части образцов и условиями формирования кристаллической структуры образцов, вырезанных из контрольных зон реальных отливок.

Кроме того, заливка кокиля "сверху", через прибыль, сопровождается замешиванием в расплав газов, шлаковых и окисных включений, влияющих на точность и воспроизводимость результатов механических испытаний, что снижает их достоверность при применении в производственных целях для оптимизации технологических параметров производства отливок и контроля качества литых изделий.

Кокиль подобной конструкции исключает возможность получения образцов для оценки степени влияния параметров физико-химического взаимодействия металлических расплавов с корродиентами, которое снижает прочностные характеристики металла и эксплуатационную надежность литых изделий.

Последнее особенно важно для повышения качества изделий и уровня производства отливок корпусов гидроагрегатов и других изделий из магниевых сплавов для авиастроения.

Целью изобретения является повышение достоверности и воспроизводимости результатов испытания прочностных характеристик металла отливок при нормальных и повышенных температурах и физико-химическом взаимодействии с корродиентами путем создания условий для получения плоских стандартных образцов и плоских образцов с концентратором напряжений при соблюдении факторов подобия условий получения и испытания образцов условиям получения и эксплуатации реальных изделий.

Указанный технический результат достигается тем, что кокиль для получения плоских стандартных образцов, содержащий две полуформы с вертикальным разъемом, в плоскости которого расположена литниковая система, отличающийся тем, что он снабжен сменными вкладышами, формообразующая поверхность каждого из которых в зоне расположения стандартных образцов имеет, по меньшей мере, одну вертикальную ступеньку, формирующую рабочую базу образцов и их рабочих элементов, образующие которой расположены зеркально и плоскопараллельно образующим симметричной ступеньки и равноудалены от вертикально-продольной плоскости симметрии кокиля и получаемой в нем отливки, ширина ступеньки равна 1/4-1/2 ширины расчетной базы образца, длина ступеньки равна расчетной части образца с учетом сопряжений с захватными частями, а высота ступеньки равна сумме толщин 3-5 образцов и величин припусков на механическую обработку плоскостей этих образцов, при этом полость кокиля может быть продольно разделена осесимметричным ей и зоне расположения расчетной части образцов прямоугольным стержневым элементом со скругленными краями радиуса - "r", нижний знак которого фиксирован в гнезде знака с зумпфом в донной части кокиля, верхний знак фиксирован по верхнему срезу прибыли кокиля, длина стержня равна глубине полости кокиля, включая глубину гнезда знака, а его ширина "l_к" и толщина "b_к" выбраны из условия

l=l_o+2r

при b_к/b₁=0,1-1,0 и b_k/b_o=0,090-0,35,

где "l_к"; "l"; "l_о" - ширина стержневого элемента концентратора напряжений, длина рабочей части и расчетной базы образца с концентратором напряжений соответственно; "b_к"; "b_o"; "b" - соответственно толщина стержневого элемента концентратора напряжений, ширина образца с концентратором напряжений в целом и каждого рабочего элемента в пределах рабочей части образца;

α₀ - толщина рабочих элементов и образцов в целом;

r - радиус округления углов стержня паза концентратора напряжений;

К_к - безразмерный коэффициент, определенный расчетом в зависимости от величины "b₁';

Δl_ye - величина усадки сплава в интервале температур Т_сол-20°С.

где Т_сол - характеристическая температура конца кристаллизации сплава, определяемая по ГОСТ или паспортным данным сплава;

20°С - температура металла отливки при нормальных условиях (по шкале МПТШ-68);

при этом литниковая система содержит стояк, обратный стояк, площадь сечения которого увеличивается кверху, сетчатый фильтр, щелевой питатель с порогом и захолаживающими ребрами, длина и количество которых убывает кверху.

На фиг.1 представлен общий вид кокиля, на фиг.2 - разрез по АА на фиг.1, на фиг.3 - разрез по СС.

Кокиль состоит из двух полуформ 1 и 2 и имеет вертикальный разъем, в плоскости которого расположены: стояк 3, тангенциально сопряженный проточным питателем 4 с уширенным кверху обратным стояком 5 овально-конической формы, имеющим порог 6, сетчатый проволочный фильтр 7, фиксированный приливами 8 и буртом 9, сопряженный щелевым питателем 10 с захолаживающими ребрами 11 с полостью кокиля 12, в которой расположены два вкладыша с, поменьшей мере, одной ступенькой 13, формирующие внешнюю поверхность рабочей части образцов 14, и осесимметричный стержневой элемент 15 концентратора напряжений из материала стержня, фиксированный знаковой частью в гнезде знака с зумпфом 16 в донной части кокиля, а верхний его знак - по верхнему срезу прибыльной части кокиля (не показано). Вкладыши фиксируются в кокиле посредством болтов или соединением типа "ласточкин хвост", или тем и другим одновременно.

При этом исполнительные размеры рабочей полости кокиля в зоне расположения рабочей части и расчетной базы образцов любого типа приняты, исходя из технических требований на литье, установивших зоны штатного контроля качества литья, и стандартными типоразмерами образцов, соответствующими размерам стенок реальных отливок в контролируемых зонах [3]. Высота ступенек вкладышей конкретной приведенной отливки принимается в виде суммы толщин 3-5 стандартных образцов, определенного типо-размера, указанного в таблицах Приложения к ГОСТ(у) [3], регламентирующему данный метод испытаний, форму и размеры образцов, а также суммы двухсторонних припусков на механическую обработку их плоскостей с учетом ширины "реза", зоны термического влияния, обусловленных применяемым рабочим инструментом (абразивным кругом, фрезой, анодно-механической резкой), и припусков на выполнение финишных операций изготовления образцов в окончательный размер "α₀", оговоренный соответствующим ГОСТ(ом) [3].

Для простоты разметки приведенной отливки при резке ее на заготовки образцов все припуски с учетом ширины реза рабочего инструмента, относящиеся к двум смежным образцам, суммируются и рассматриваются как единое целое, причем количество суммарных припусков соответствует числу образцов n, получаемых единовременно из одной ступеньки «приведенной» отливки.

Уменьшение размера ступеньки по высоте не позволит получать в одной отливке необходимое количество заготовок стандартных образцов (по ГОСТ - не менее трех) с идентичными физико-механическими свойствами, а увеличение размера ступеньки по высоте (более 5 образцов) нарушает последовательность кристаллизации отливки, ведет к образованию «мостов» кристаллитов, увеличивает дефицит питания нижерасположенных слоев металла, нарушает его структурную однородность и снижает воспроизводимость результатов испытаний. Расширение размеров полости кокиля и поперечных размеров «приведенной» отливки вверх, при переходе с одной ступеньки (одного типоразмера образца) на другую ступеньку - на больший стандартный типоразмер, исключает дефицит питания нижерасположенных слоев металла отливки, газоусадочную пористость в осевой зоне и другие дефекты литья. Кроме того, при послойной разрезке ступенек приведенной отливки на заготовки плоских образцов у последних сохраняется литейная корка и первичная литая структура с характерной ориентацией структурных составляющих, подобная структура металла в контрольных зонах литых изделий, и сохраняются линейные размеры по ширине образцов и их расчетной базы в пределах каждой ступеньки.

Это позволяет обеспечить соблюдение постоянства структурного фактора и равнопрочность металла всех образцов, вырезанных из одной и той же ступеньки «приведенной» отливки, что гарантирует их взаимную идентичность, достоверность и воспроизводимость результатов испытаний.

Кокиль работает следующим образом.

При заливке кокиля металлический расплав из заливочной чаши через стояк и тангенциальный проточный питатель поступает в нижнюю часть обратного стояка и, перемещаясь вдоль его боковой стенки и по поверхности сетчатого проволочного фильтра, приобретает вращательное движение в стояке, способствующее, как это было установлено гидромоделированием на прозрачных моделях, всплытию и сепарации газов, окисных и шлаковых включений в центральной части обратного стояка в то время, как порог задерживает тяжелые неметаллические включения в донной его части. При этом проволочный сетчатый фильтр, не допуская образования всплесков и брызг металла, гасит кинетическую энергию потока расплава и обеспечивает его спокойную фильтрацию и поступление через оребренный щелевой питатель в полость кокиля.

По мере заполнения полости кокиля расплавом и кристаллизации его в нижней части кокиля, при последовательном постепенном перемерзании оребренного питателя в нижней его части, происходит перераспределение потоков металла и более горячий расплав аккумулируется в обратном стояке, уширенном кверху, обеспечивая постоянное повышение температуры поступающего в полость кокиля металла. Увеличение площади сечений в верхней части обратного стояка при уменьшении длины и оребрения щелевого питателя, наряду со ступенчатым увеличением размеров стенок отливки в зоне расположения рабочей части образцов, исключает дефицит питания нижерасположенных объемов металла и содействует последовательно-направленной их кристаллизации, обеспечивая формирование плотной бездефектной структуры отливки при ее затвердевании в кокиле предложенной конструкции.

Результаты испытаний на растяжение образцов, вырезанных из одноступенчатых отливок, приведенные в заявке (табл.1 и табл.2), показывают, что отклонение результатов испытаний образцов, находившихся в литом состоянии, составляет ±1% от их среднеарифметических значений, что не может быть обеспечено другими способами получения литых образцов с литейной коркой.

Определение временного сопротивления разрушению образцов проводилось при 20°С со скоростью приложения нагрузки V=2 мм/мин. Для сравнения приведены результаты испытания идентичных образцов, находившихся в литом состоянии и подвергавшихся нагреву в нейтральной среде (аргон) при 1250 и 1350°С в течение 5-ти и 3-х часов соответственно.

Так образцы, прошедшие гомогенизацию при температуре 1250°С в среде аргона, и повысившие свою прочность на 10%, имели отклонения результатов испытаний в пределах ±2% от среднеарифметических значений.

Разброс результатов испытаний образцов последней группы, прошедших высокотемпературную обработку в контакте с 4 типами корродиентов, не превысил ±10%.

Это позволило установить значимые факторы технологического процесса и термохимическое влияние отдельных корродиентов на структурно-прочностные характеристики металла образцов, что ранее было неосуществимо.

Последнее свидетельствует о высокой однородности металла образцов, идентичности их структурного состояния и восприимчивости металла образцов к влиянию факторов внешней среды и параметров производства, что обеспечило точность и воспроизводимость результатов испытаний, а также их достоверность, которые подтверждаются данными других работ, известных из технических источников информации.

Источники информации

1. «Materials Science and Technology», Auqust 1987, vol. 3, p.665-670.

2. Дубинин Н.П. и др. Справочное пособие «Кокильное литье», М., «Машиностроение», 1967 г., с.17, табл.19, первая графа.

3. Сборник стандартов «Металлы, методы механических и технологических испытаний» «М». ГОССТАНДАРТ» 1965, с.236.

1. Кокиль для получения плоских стандартных образцов, содержащий две полуформы с вертикальным разъемом, в плоскости которого расположена литниковая система, отличающийся тем, что он снабжен сменными вкладышами, формообразующие поверхности которых имеют по меньшей мере одну вертикальную ступеньку, формирующую боковую поверхность стандартного образца, причем ступеньки расположены зеркально и параллельно плоскости симметрии кокиля, ширина ступеньки равна 1/4-1/2 ширины расчетной базы образца, длина ступеньки равна рабочей части образца с учетом сопряжений с захватными частями, а высота ступеньки равна сумме толщин 3-5 образцов и величин припусков на механическую обработку плоскостей этих образцов, при этом литниковая система содержит стояк, обратный стояк, площадь сечения которого увеличивается кверху, сетчатый фильтр, щелевой питатель с порогом и захолаживающими ребрами, длина и количество которых убывает кверху.

2. Кокиль по п.1, отличающийся тем, что он снабжен прямоугольным стержневым элементом концентратора напряжений, расположенным симметрично оси полости кокиля и расчетной части образца и разделяющим полость кокиля продольно, нижний знак стрежневого элемента зафиксирован в гнезде с зумпфом в донной части кокиля, а верхний знак зафиксирован по верхнему срезу прибыли кокиля, длина стрежня равна глубине полости кокиля, а его ширина и толщина выбраны из условий

при в_к/в₁=0,1-1,0 и в_к/в_о=0,09-0,35,

где l_k, l, l_o - длина стержневого элемента концентратора напряжений, длина рабочей части и расчетной базы образца с концентратором напряжений, соответственно;

в_к, в_о, в₁ - ширина стержневого элемента концентратора напряжений, ширина образца с концентратором напряжений в целом и каждого рабочего элемента в пределах рабочей части образца, соответственно;

α₀ - толщина рабочего элемента и образца в целом;

r - радиус скругления углов стержневого элемента концентратора напряжений;

K_k - безразмерный коэффициент, определенный расчетом в зависимости от величины в₁;

Δl_yc - величина усадки сплава в интервале температур Т_сол-20°С;

Т_сол - температура конца кристаллизации сплава;

20°С - температура металла отливки при нормальных условиях.