|
Охлаждение жидкого сплава, его
кристаллизация и последующее охлаждение в твердом состоянии сопровождаются
уменьшением объема или его усадкой, количественной мерой которой являются
коэффициенты термического сжатия. С усадкой связано возникновение в отливках
пустот в виде раковин и пор, внутренних напряжений и трещин, зазора между
отливкой и поверхностью формы. На конечные размеры отливки влияет изменение
объема твердого металла в результате различных фазовых превращений.
Общее относительное уменьшение объема жидких сплавов в
интервале от /зал до определяет усадку в жидком состоянии, которая зависит от
значения коэффициента термического сжатия р,к и температурного интервала
Значения температурных коэффициентов объемного сжатия в
жидком состоянии и при кристаллизации ряда металлов — основ важнейших литейных
сплавов представлены в 4.
Снижение температуры сплава от /зал до /л сопровождается
понижением уровня расплава за счет уменьшения его объема. Наибольшее значение
при формировании отливок имеет изменение объема сплава при кристаллизации,
(Зкр достигает у ряда сплавов ~10 %.
Большинство литейных сплавов характеризуется большим
удельным объемом в жидком состоянии, чем в твердом. Если бы во время
формирования отливки в литейной форме уменьшение объема происходило во всех
ее частях одновременно, то следствием усадки было бы только уменьшение
размеров. В реальных условиях затвердевание различных частей отливки
происходит неравномерно. Когда наружные слои затвердеют и изменят объем и
размеры, во внутренних зонах еще находится жидкий сплав, который должен
претерпеть значительно большую усадку по сравнению с затвердевшими слоями.
После окончания охлаждения окажется, что объем внутренней части отливки
уменьшился больше, чем объем, ограниченный внешними контурами всей отливки.
Внутри отливки окажутся усадочные полости, не заполненные металлом. В ходе
затвердевания отливки объемная усадка проявляется в виде крупных пустот —
усадочных раковин и многочисленных мелких пор — усадочной пористости.
Рассмотрим механизм образования сосредоточенной усадочной
раковины в простой цилиндрической отливке при ее охлаждении с трех и четырех
сторон ( 10).
В первом случае при охлаждении перегретого выше tn
расплава уменьшение объема выразится в понижении уровня с 0 до 1 ( 10, а).
Чем выше начальная температура расплава, тем значительнее понижение уровня.
Если считать, что теплота отводится только стенками формы, то через некоторое
время около них образуется твердая корка /. Вследствие того, что объем
твердой фазы меньше объема затраченной на ее образование жидкости, уровень
расплава в незатвердевшей части понизится до 2. Затем идет следующий этап
затвердевания с образованием твердого слоя II и понижением уровня расплава до
3. При росте слоя III уровень расплава понижается до 4. Таким образом,
начинает возникать усадочная раковина. В действительности процессы
затвердевания и понижения уровня протекают непрерывно, поэтому на
поверхности раковины не образуются ступеньки.
Сосредоточенная усадочная раковина имеет вид конуса.
Если охлаждение аналогичной отливки идет с четырех сторон
( 10, б), то вначале образуется твердый слой / по всему контуру формы. При
затвердевании слоя II происходит снижение уровня расплава, и он отходит от
верхней корки с образованием зазора. Это приводит к уменьшению теплоотвода
через верхнюю поверхность. Дальнейший ход образования усадочной раковины не
отличается от рассмотренного выше.
Отливки с усадочными раковинами в сечении в большинстве
случаев непригодны для использования, поэтому при их изготовлении стремятся
вывести усадочную раковину в дополнительный объем, называемый прибылью.
Плотное строение отливки может быть обеспечено лишь при осуществлении притока
жидкости из прибыли. Естественно, что сплав в ней должен затвердевать в
последнюю очередь.
При изготовлении фасонных отливок со стенками различной
толщины прибыли устанавливают над их термическими узлами, т. е. такими
частями, которые, затвердевая последними, обеспечивают питание жидким сплавом
более тонких стенок и сами по этой причине испытывают недостаток в металле
для формирования плотного строения.
При последовательном затвердевании отливки в отсутствии
двухфазной зоны, т. е. при условии Д/кр/(А) < 1 (см. 7), изменение объема
металла в связи с нарастанием твердой корки компенсируется свободно текущим
расплавом. В таких отливках усадка проявляется в виде концентрированной
усадочной раковины.
Объемная усадка в отливках из сплавов с интервалом
кристаллизации проявляется не только в виде раковины, но и в виде пористости.
Как уже было показано, затвердевание отливок из подобных сплавов происходит с
образованием двухфазной зоны, которая неоднородна по количеству выделившейся
твердой фазы. Та часть двухфазной зоны, в которой находится 35—40 % твердых
кристаллов, представляет собой непрерывный каркас из дендри- тов и может
рассматриваться как капиллярно-пористое тело. С этого момента питание отливки
определяется закономерностями проникновения жидкого металла в твердожидкую
зону. Пока в центральной зоне отливки находится жидкий металл,
компенсирование усадки ее затвердевающих частей происходит весьма интенсивно,
даже при протяженности зоны в несколько десятков миллиметров.
Условия питания резко изменяются для сплава, находящегося
в центральной части отливки. Двухфазная зона распространяется на все сечения
отливки, зона жидкого расплава отсутствует, что соответствует IV стадии
затвердевания отливки. Продолжающееся охлаждение вызывает кристаллизацию
остаточной жидкости в межосном пространстве дендритов. По окончании
затвердевания
почти вся центральная часть отливки оказывается пористой
вследствие усадки жидкости, оставшейся между ветвями Vu дендритов. Каждая
пора представляет собой маленькую изолированную усадочную раковину
неправильной формы. I Таким образом, отливка из сплава с интервалом
кристаллизации может 0 10 20 зо 40 СИ,°/<> быть поражена как усадочной
раковиной в верхней части термического
узла, так и пористостью, расположенной в центральной части
отливки, часто непосредственно под раковиной. Суммарный объем раковины и пор
составляет общую величину усадки, характерную для данного сплава ( 11). Чем
шире двухфазная зона при затвердевании отливки, тем больший объем усадки
приходится на поры. При малой скорости охлаждения (в сухих песчаных формах)
двуфазная область может распространиться почти сразу на всю толщину отливки,
поэтому пористость в этом случае образуется не только в центральной, но и в
периферийных частях.
Устранение усадочной пористости в теле отливки — задача
более сложная, чем выведение в прибыль концентрированной усадочной раковины.
При изготовлении отливок из сплавов, склонных к образованию усадочных пор,
необходимо не только устанавливать прибыли на термических узлах отливок, но и
обеспечивать направленность и высокую интенсивность затвердевания в них
сплава, чтобы уменьшить протяженность двухфазной зоны и тем самым обеспечить
свободное питание центральной части отливки жидким сплавом из прибыли. Это
обеспечивается выбором места подвода металла в полость литейной формы,
установкой холодильников (чаще всего металлических вставок) в поверхностный
слой формы, а также утеплением прибылей для уменьшения в них скорости
затвердевания сплава.
|