Исследовательская работа по дисциплине "Основы металлургического производства" на тему : "Сравнительная характеристика отливок изготовленных из разных сплавов"

Министерство образования Нижегородской области
ГБПОУ «Выксунский металлургический колледж»

Исследовательская работа на тему: Сравнительная характеристика отливок изготовленных из разных сплавов.

                                     Выполнили: студентки 3 курса

                                                                                           гр.31 Клюева Алена

                               Сухарева Ирина

                                                  Руководитель спец. дисциплин: Рогозина О.В.

г. Выкса, 2015г.

СОДЕРЖАНИЕ

Введение………………………………………………………………………..............3

1.Виды сплавов………………………………………………………………………..5

1.1.Свинец………………………………………………………………………………5

1.2.Олово………………………………………………………………………………..7

1.3.Баббит……………………………………………………………………………….9

2. Технологический процесс выплавки сплавов на основе

олово+свинец; баббит + свинец; бабит + олово; в условиях ВМК……………11

2.1.  Химический и физический состав сплавов…………………………………….15

3. Измерение твердости олово+ свинца, баббита+свинца,

бабита+ олово  методами Бринеля и Роквела в условиях ВМК……………...........17

4.Сравнительный анализ сплавов………………………………………………...21

4.1. Дефекты после смешивания сплавов……………………………………………22

Заключение

Список используемых источников

ВВЕДЕНИЕ

Вся история человечества связана с развитием материалов. Именно материалы дали названия целым эпохам: каменный век, бронзовый век, железный век.

На ранней стадии развития человечества использовались природные материалы — дерево, кость, камень. Особое место занял камень, из которого изготавливались орудия труда — каменные топоры, каменные ножи. Следует отметить, что именно с помощью камня около 500 тыс. лет назад люди стали добывать огонь. Использование огня для обжига глины при изготовлении предметов домашней утвари породило начало керамической технологии.

На следующем этапе развития стали использоваться металлы. Естественно, что в первую очередь применялись те из них, которые встречаются в природе в чистом, самородном виде. Прежде всего, это медь начало ее применения относят к седьмому тысячелетию до нашей эры. В четвертом тысячелетии до нашей эры начали применять сплавы: преобладают уже металлические инструменты из бронзы - сплава меди с другими металлами, в первую очередь с оловом, имеющие лучшие свойства, чем чистая медь. Это означает, что в историю техники вступила технология металлургии.

Важнейшим этапом развития стало использование железа и его сплавов. В середине XIX века осваивается конвертерный метод производства стали, а к концу века — мартеновский. Сплавы на основе железа и в настоящее время являются основным конструкционным материалом. Бурный рост промышленности требует появления материалов с самыми различными Свойствами. Середина XX века ознаменована появлением полимеров — новых материалов, свойства которых резко отличаются от свойств металлов. Полимеры широко применяют также в различных областях техники: машиностроении, химической и пищевой промышленности и ряде других областей.

Развитие техники требует материалов с новыми уникальными свойствами. Для атомной энергетики и космической техники необходимы материалы, которые могут работать при весьма высоких температурах. Компьютерные технологии стали возможными только при использовании материалов с особыми электрическими свойствами. В настоящей  работе расмотрены баббит, олово, свинец.

1.Виды сплавов.

1.1.Свинец.

В художественной литературе часто приходится встречаться с эпитетом «свинцовый». Как правило, он означает тяжесть в прямом или переносном смысле; иногда же он указывает на угрюмый сине-серый цвет. Против последнего сравнения возражать не приходится. Первое же требует уточнений. Среди металлов, используемых техникой нашего времени, многие тяжелее свинца. Свинец всплывает на поверхность, будучи погружен в ртуть. В расплаве меди свинцовый кораблик, несомненно, опустился бы на дно, тогда как в золоте плавал бы с очень большой легкостью. «Бы» – потому, что этого произойти не может: свинец плавится задолго до меди или золота (температуры плавления – 327, 1083 и 1063°C соответственно), и кораблик расплавится раньше, чем утонет.

Народы древности не могли изготовить из свинца ни меча, ни лемеха, ни даже горшка – для этого он слишком мягок и легкоплавок. Но в природе нет ни одного металла, который при обычных условиях мог бы соперничать с ним в пластичности. По десятибалльной «алмазной» шкале Мооса сравнительная твердость элемента № 82 выражается цифрой 1,5. Чтобы получить на свинце какое-нибудь изображение или надпись, нет надобности прибегать к чекану, достаточно простого тиснения. Отсюда – свинцовые печати старины. И в наше время принято товарные вагоны, сейфы, складские помещения опечатывать свинцовой пломбой. Кстати, само слово «пломба» (а их сейчас делают из разных материалов) произошло, видимо, от латинского названия свинца plumbum; по-французски название элемента – plomb.

Столь примитивное использование пластичности свинца, как получение на нем оттисков, для современной техники кажется анахронизмом. Тем не менее отпечатки на свинце иногда незаменимы и в наше время.

При глубинном бурении инструмент отнюдь не застрахован от поломок, вызывающих подчас аварии. Если на глубине нескольких сот метров в скважине останется сломанный бур то, как его извлечь обратно, как подцепить? Самое простое и надежное в таком случае средство – свинцовая болванка. Ее опускают в скважину, и она расплющивается от удара, наткнувшись на сломанный бур. Извлеченная на поверхность болванка «предъявит» отпечаток, по которому можно определить, каким образом, за какую часть зацепить обломок. Появились, правда, гораздо более удобные «осведомители» – каротажные телеустановки. Но насколько они дороже, прихотливей, сложнее!

Свинец очень легко куется и прокатывается. Уже при давлении 2 т/см² свинцовая стружка спрессовывается в сплошную монолитную массу. С увеличением давления до 5 т/см² твердый свинец переходит в текучее состояние. Свинцовую проволоку получают, продавливая через фильеру не расплав, а твердый свинец. Обычным волочением ее сделать нельзя из-за малой разрывной прочности свинца.

 

1.2.Олово

Олово – один из немногих металлов, известных человеку еще с доисторических времен. Олово и медь были открыты раньше железа, а сплав их, бронза, – это, по-видимому, самый первый «искусственный» материал, первый материал, приготовленный человеком.

Результаты археологических раскопок позволяют считать, что еще за пять тысячелетий до нашей эры люди умели выплавлять и само олово. Известно, что древние египтяне олово для производства бронзы возили из Персии.

Под названием «трапу» этот металл описан в древнеиндийской литературе. Латинское название олова stannum происходит от санскритского «ста», что означает «твердый».

Упоминание об олове встречается и у Гомера. Почти за десять веков до новой эры финикияне доставляли оловянную руду с Британских островов, называвшихся тогда Касситеридами. Отсюда название касситерита – важнейшего из минералов олова; состав его SnO₂. Другой важный минерал – станнин, или оловянный колчедан, Cu₂FeSnS₄. Остальные 14 минералов элемента №50 встречаются намного реже и промышленного значения не имеют. Между прочим, наши предки располагали более богатыми оловянными рудами, чем мы. Можно было выплавлять металл непосредственно из руд, находящихся на поверхности Земли и обогащенных в ходе естественных процессов выветривания и вымывания. В наше время таких руд уже нет. В современных условиях процесс получения олова многоступенчатый и трудоемкий. Руды, из которых выплавляют олово теперь, сложны по составу: кроме элемента №50 (в виде окисла или сульфида) в них обычно присутствуют кремний, железо, свинец, медь, цинк, мышьяк, алюминий, кальций, вольфрам и другие элементы. Нынешние оловянные руды редко содержат больше 1% Sn, а россыпи – и того меньше: 0,01...0,02% Sn. Это значит, что для получения килограмма олова необходимо добыть и переработать по меньшей мере центнер руды.

1.3.Баббит

Баббит - это специальный антифрикционный сплав на основе олова или свинца, чаще всего используется для заливки вкладышей подшипников. Отличные антифрикционные качества баббита связаны с его особой гетерогенной структурой, которая характеризуется наличием твёрдых частиц в мягкой пластичной основе сплава. Таким образом, олово или свинец является пластичной основой сплава, которая обеспечивает равномерное прилегание и прирабатываемость подшипника к валу. В сплаве есть также твердые включения, которые служат опорой подшипника, обеспечивая ему небольшое трение и износ. Определенные марки баббиты содержат такие добавки как сурьма, медь, никель, мышьяк, кадмий, теллур, кальций, натрий, магний и др. Баббит обладает низкой температурой плавления в рамках 300 - 440°C, а также хорошей прирабатываемостью.

Баббиты одни из старейших антифрикционных легкоплавких гетерогенных сплавов, которые широко применяются до сих пор. Баббит был изобретён Исааком Баббитом (I. Babbitt, США) в 1839, в качестве материала для подшипников паровых машин.

Баббит бывает трех видов в зависимости от материала основы:
-Оловянным
-Свинцовым
- Кальциевым

Отличие оловянного баббита состоит в том, что он по сравнению со свинцовым обладает более высокой коррозионной стойкостью, а также износоустойчивостью и теплопроводностью. При сохранении всех этих качеств он имеет более низкий коэффициент линейного расширения.

Преимущество свинцовых баббитов состоит в том, что они могут работать при более высокой температуре подшипника, чем оловянные. Поэтому свинцовый баббит применяется для заливки подшипников двигателей автомобилей, тракторов, прокатных станов.

Кальциевые сплавы - это сплавы на основе свинца с небольшими добавками кальция и натрия. Кальциевые баббиты могут быть легированы другими элементами. Свинцово- кальциевый баббит используется в первую очередь для подшипников подвижного состава и железнодорожного транспорта.

Химический состав, марки баббитов должны соответствовать ГОСТам. Для оловянных и свинцовистых баббитов есть ГОСТ 1320-74, для кальциевых - ГОСТ 1209-90. В зависимости от химического состава выделяются такие марки баббитов: Б88, Б83, Б83С - оловянные баббиты, Б16, БН и БС 6 - свинцовые баббиты. В зависимости от состава баббитов определяется их область применения. Так свинцовый баббит Б-16 используется для моторно-осевых подшипников электровозов, путевых машин; деталей паровозов и другого оборудования тяжелого машиностроения, которое подвергается большим нагрузкам. Оловянные баббиты Б-83,88 используются в первую очередь в подшипниках, которые работают при больших скоростях и средних нагрузках; например, подшипники турбин, крейцкопные, мотылевые и рамовые подшипники малооборотных дизелей, опорные подшипники гребневых валов.

2. Технологический процесс выплавки сплавов на основе

Олово +свинец; баббит + свинец; баббит + олово; в условиях ВМК

Для выплавки деталей были взяты сплавы:

Олова 50% + свинца 50%;

Баббит 80% + олово 20%

Баббит  80% + свинец 20%

Рис.1 Исходный материал для сплава

Модель наковальни состоит из двух частей. В нижней части на поверхности разъема расположены центровочные отверстия, в то время как верхняя часть снабжена соответствующими направляющими кулачками.

Кладем нижнюю часть модели на модельную платформу и наполняем формовочную опоку песком.

Рис. 2 Собираем модельную платформу

Для достижения равномерной плотности заполнения формы наполнительную смесь следует засыпать в опоку слоями и уплотнять трамбовкой. После уплотнения удаляем линейкой излишки формовочной смеси вровень с кромками опоки.

Рис.3 Заполнение опок формовочной смесью

Поворачиваем формовочные опоки. Снимаем верхнюю опоку и поддельную платформу. Чтобы устранить прилипание формовочной смеси верхней и нижней полуформ, наносим с помощью кисточки на плоскость разъема нижней полуформы немного разделительной смеси (талька). Установили верхнюю опоку на нижнюю. Расположили шаблон стояка на небольшом расстоянии от модели якоря. Наполняем нижнюю опоку песком и уплотняем трамбовкой. Удаляем излишки формовочной смеси.

Вращательными движениями извлекаем из опоки шаблон стояка. Немного спрессовали края стояка, чтобы не допустить осыпания песка при заливке расплава в форму. Осторожно сняли верхнюю опоку. С помощью ланцета в верхней и нижней опоках делаем питатель шириной 10 мм и глубиной 3 мм. Спрессовываем песок пальцами на краях питателя. Аккуратно извлекли из формовочных опок обе части модели наковальни с помощью специального приспособления.

Рис.4 Производим заливку, перемешиваем расплав линейкой.

Собрали форму. Нагреваем заливочный ковш со сплавом до температуры 250-300С. Для того чтобы удалить шлак с поверхности перемешиваем его линейкой и произвели заливку.

После пятиминутного охлаждения извлекли готовую наковальню для дальнейшей обработки.

Рис.5 Извлекаем готовую наковальню

 Технологический процесс повторяем для каждых сплавов отдельно.

2.1.  Химический  и физический состав сплавов

Химические и физические свойства баббитов.

Баббит, в строении которого всегда сочетаются мягкая основа и твердые включения, характеризуется такими показателями:
•Невысокая температура плавления в диапазоне 240 – 320 °С;
•Низкая твердость НВ 13–32;
• Повышенная размягчаемость при 100°С НВ 9 – 24.

Химические и физические свойства олова.

Олово имеет две полиморфные модификации. Кристаллическая решетка обычного β-Sn (белого Олово) тетрагональная с периодами а = 5,813Å, с = 3,176Å; плотность 7,29 г/см³. При температурах ниже 13,2 С° устойчиво α-Sn (серое Олово) кубической структуры типа алмаза; плотность 5,85 г/см³. Переход β->α сопровождается превращением металла в порошок. t_пл 231 ,9 °С, t_кип 2270 °С. Температурный коэффициент линейного расширения 23·10^-6 (0-100 °С); удельная теплоемкость (0°С) 0,225 кдж/(кг·К), то есть 0,0536 кал/(г·°С); теплопроводность (0°С) 65,8 вт/(м·К.), то есть 0,157 кал/(см·сек·°С); удельное электрическое сопротивление (20 °С) 0,115·10^-6 ом·м, то есть 11,5·10^-6 ом·см. Предел прочности при растяжении 16,6 Мн/м² (1,7 кгс/мм²); относительное удлинение 80-90% ; твердость по Бринеллю 38,3-41,2 Мн/м²(3,9-4,2 кгс/мм²). При изгибании прутков олова слышен характерный хруст от взаимного трения кристаллитов.

Олово имеет две степени окисления: +2 и +4; последняя более устойчива; соединения Sn (II) - сильные восстановители. Сухим и влажным воздухом при температуре до 100 С° Олово практически не окисляется: его предохраняет тонкая, прочная и плотная пленка SnO₂. По отношению к холодной и кипящей воде Олово устойчиво. Стандартный электродный потенциал Олова в кислой среде равен -0,136 в. Из разбавленных НCl и H₂SO₄ на холоду Олово медленно вытесняет водород, образуя соответственно хлорид SnCl₂ и сульфат SnSO₄. В горячей концентрированной H₂SO₄ при нагревании Олово растворяется, образуя Sn(SO₄)₂ и SO₂.

Химические и физические свойства свинца

Плотность свинца (11,34 г/см3) в полтора раза больше, чем у железа, вчетверо больше, чем у алюминия; даже серебро легче свинца.  Кипит при 1751° С и заметно летуч уже при 700° С.  Свинец кристаллизуется в гранецентрированной кубической решётке (а = 4,9389), аллотропических модификаций не имеет. 

По химическим свойствам свинец - малоактивный металл: в электрохимическом ряду напряжений он стоит непосредственно перед водородом. Поэтому свинец легко вытесняется другими металлами из растворов его солей. Если опустить в подкисленный раствор ацетата свинца цинковую палочку, свинец выделяется на ней в виде пушистого налета из мелких кристалликов, имеющего старинного название «сатурнова дерева».  В присутствии кислорода свинец растворяется также в ряде органических кислот. При действии уксусной кислоты образуется легкорастворимый ацетат Pb (CH3COO)2 (старинное название - «свинцовый сахар»).

3. Измерение твердости олово+ свинца, баббита+свинца,

бабита+ олово  методами Бринеля, Роквела в условиях ВМК

ВЫПОЛНЕНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТА И ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ИСПЫТАНИЙ

Порядок выполнения работы на приборе Бринелля:

1. Изучить устройство и принцип работы твердомера ТБ 5004.

2. Ознакомиться с образцами для испытания (размер зерен, черные, цветные металлы, толщина образцов, и др.) и подготовить их для испытания.

3. Выбрать по таблице 1 диаметр шарика, величину нагрузки и время нагружения.

4. Снять оправку со шпинделя и установить необходимый индентор.

5. С помощью наборов грузов подобрать требуемую нагрузку.

6. На опорный столик установить испытуемый образец так, чтобы центр отпечатка располагался от края образца на расстоянии не меньше 2,5d.

7. С помощью маховика подвести образец до касания с индентором (должен включиться тормоз).

8. Нажав кнопку “пуск”, произвести нагружение.

9. По истечении установленного времени нагружения нажать кнопку “стоп”.

10. С помощью маховика отвести столик с образцом от индентора.

11. Операции по п. п. 6-11 повторить не менее трех раз на каждом образце.

12. Измерить диаметры отпечатков в двух взаимно перпендикулярных направлениях с помощью измерительной лупы.

13. Рассчитать НВ по формуле.

14. Результаты испытаний занести в таблицу 1.

Таблица 1. Результаты испытаний образцов на твердость

№ пп	Материал	Условия испытания			Диаметр отпечатка, мм			Твердость, НВ
		нагрузка	диаметр шарика	время нагружения	d1	d2	dср	по формуле
1.	Баббит +свинец	981	10	90	0.3	0.4	0.1	35
2.	Баббит + олово	981	10	90	0.2	0.3	0.1	39
3.	Свинец +олово	981	10	90	0.3	0.5	0.2	40

Рис.6 Измерение твердости

Порядок работы на приборе Роквелла:

Порядок работы на приборе следующий:

1. Установить соответствующий индентор и выбрать необходимую нагрузку.

2.Поместить образец на столик и вращением маховика вдавить индентор в образец предварительной нагрузкой, при этом малая стрелка индикатора должна стать против красной точки, а большая – на нуль черной шкалы (А, С) индикатора или на 30 красной шкалы (В).

3. Нажать пусковую педаль и произвести нагружение основной нагрузкой в течение 3…6 секунд.

4. Опустить пусковую педаль и снять основную нагрузку через 1…3 секунды после остановки большой стрелки.

5. Считать число твердости с точностью до половины цены деления шкалы.

6. Повторить испытания не менее 3…5 раз, выдерживая расстояние между отпечатками не менее 3 мм.

Результаты измерений занести в таблицу 2.

Таблица 2.  Результаты измерений твердости по Роквеллу

№	Материал	Условия испытания			Измерения			Среднее значение	НВ (перевод)
		нагрузка, Н	вид индентора	шкала	I	II	III
1.	Баббит +свинец	98 Н	алмазный конус	С	30	45	35	35	36
2.	Баббит + олово	98 Н	алмазный конус	С	40	45	47	40	40
3.	Свинец +олово	98 Н	алмазный конус	С	40	50	51	49	49

4.Сравнительный анализ сплавов.

Сравнительная таблица

Баббит		Баббит и олово
Невысокая температура плавления в диапазоне	240 – 320 °С;	Температура  плавления	243С
Низкая твердость	НВ 13–32;	Твердость	40 по Роквеллу 39 по Бринелю
Стоимость	790		822
Свинец		Свинец и баббит
Температура  плавления	240С	Температура  плавления	250С
Твердость	40	Твердость	36 по Роквеллу 35 по Бринелю
Стоимость	150	Стоимость	662
Олово		Свинец и олово
Температура плавления	230С	Температура плавления	240С
Твердость	38,3-41,2	Твердость	49 по Роквеллу 40 по Бринелю
Стоимость	950	Стоимость	550

4.1.Дефекты после смешивания сплавов

Существует несколько видов литейного брака, основными из которых являются раковины, трещины, пригар, недоливы и др.

Раковины большей частью выявляются в процессе механической обработки отливок.

Раковины бывают усадочные, газовые, песочные, шлаковые.

Усадочные раковины имеют вид углублений и пустот неправильной формы, образующихся в тех местах отливки, где металл затвердевает в последнюю очередь.

Газовые раковины – это сферические или округленные пустоты с гладкой блестящей или окисленной поверхностью, расположенные снаружи отливки или внутри ее.

Кроме этого, газовые раковины могут образовываться из-за дефектов формы и неправильной технологии заливки.

Недоливы возникают в том случае, если часть отливок оказывается незаполненной металлом вследствии его плохой жидкотекучести, изобилия газов или пара в форме, утечки металла по разъему формы.

Способы снижения брака следующие:

1.     Тщательный контроль исходных материалов.

2.     Выбор правильной технологии (формовки, плавки, заливки и т.д.)

3.     Строгая технологическая и организационная дисциплина.

4.     Правильная организация технического контроля отливок.

5.     Внедрение различных методов исправления дефектов отливок.

В процессе выплавки различных сплавов у нас получился дефект усадочная раковина при выплавке сплава свинец +олово. Этот дефект имеет вид углублений и пустот неправильной формы и образуется в тех местах отливки, где металл затвердевает в последнюю очередь.

Заключение

В данной работе рассмотрены различные виды сплавов.

Проведенное исследование позволяет сделать следующие выводы:

Между технологическим процессом изготовления литых деталей и показателями эксплуатационной стойкости существует зависимость.

На каждом этапе технологической цепочки производства отливки действуют внешние и внутренние факторы, которые оказывают прямое или косвенное влияние на эксплуатационную стойкость.

В процессе производства отливок механические свойства являются нестабильными, кроме того, на поверхности часто образуются усадочные раковины, которые являются причинами снижения эксплуатационной стойкости.

В итоге нашего эксперимента мы установили, что самым оптимальным сплавом является баббит + олово.

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Кудрин В.А. Теория и технология производства стали. – М.: Мир. 2009 г

2. Кудрин В. А. Металлургия стали. – М.: Металлургия, 2010г.

3 Воскобойников В.Г  Кудрин В.А. Общая металлургия. – М.: Металлургия.2012 г

4. Явойский В.И. Металлургия стали. – М.: Металлургия2014 г

5. Дюдкин Д.А., Кисиленко В.В. Производство стали. Том 1 – М. 2010 г

6. Воскобойников В. Г., Кудрин В.А., Якушев А.М. Общая металлургия. – М.: Металлургия, 2014 г