Изменение агрегатного состояния сплавов в отливках

При последовательном затвердевании (см. фиг. 69, а) двухфазная зона отсутствует, т. е. д = 0.

4. ХОД ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОГО И ДВУХФАЗНОГО ЗАТВЕРДЕВАНИЯ

Рассмотрим прежде всего простейший вид затвердевания при определенных упрощенных предпосылках и будем дополнительно учитывать другие факторы.

Ход последовательного затвердевания

Ход затвердевания основных (геометрически простых) тел. Прежде всего примем следующие упрощающие предпосылки (допущения): 1) температура заливки ниже ликвидуса; 2) отливка представляет собой бесконечную плиту (за бесконечную может быть принята и плита, размеры которой в плане превышают толщину не менее чем в шесть раз, причем толщину затвердевшего слоя и ее увеличение измеряют в центре плиты, где края плиты практически на затвердевание не влияют); 3) от момента контакта с формой сплав не течет (заливка сверху).

136 ЛИТЕРАТУРА

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

При выполнении этих условий толщина затвердевшего слоя по обеим сторонам плиты будет увеличиваться во времени параболически по уравнению

где о - толщина затвердевшего слоя, м; ф - время, час; k - константа затвердевания, м/час1/2.

Эта зависимость показана на фиг. 73, где представлена еще зависимость , причем k1>k; затвердевание идет тем быстрей, чем больше значение k (см. ниже).

На фиг. 73 показана и тепловая ось. Место, где плоскость кристаллизации достигла тепловой оси, т. е. пересечение кривой с тепловой осью, определяет на горизонтальной оси время фпл затвердевания плиты. Чем быстрей идет затвердевание, тем короче этот период.

Вместо простейшего допущения 1 примем, что температура заливки выше температуры затвердевания, как это обычно и бывает на практике, т. е. tзал>tликв; допущения 2 и 3 оставим при этом в силе. Сплав начнет затвердевать не сразу при контакте с формой, а несколько поздней, когда от поверхностных частей отливки будет отведено тепло перегрева над температурой затвердевания.

Затем пойдет затвердевание по общему уравнению

гдеор- толщина корки, которая должна была бы затвердеть за время фр.

Это отношение показано на фиг. 73, где обозначены и величина ор и соответствующая ей величина фр. Очевидно, что в первый момент отливка затвердевает медленней, чем при предпосылке 1, где ор = 0. Отсюда получается и большее время затвердевания.

Сохраним теперь предпосылки 1 и 3, но откажемся от предпосылки 2. Влияние конфигурации отливки на ход затвердевания характеризуется величиной Y в уравнении

где Y - коэффициент, численное значение которого изменяется в ходе затвердевания. Для простейших тел значения Y вычисляют по приведенным ниже формулам.

где х - расстояние между поверхностью отливки и тепловой осью.

Кривые затвердевания цилиндра и шара снаружи имеют точку перегиба. Это вытекает из того, что величина Y изменяется во времени, а следовательно, и с толщиной затвердевшего слоя.



136 ЛИТЕРАТУРА

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Эти выводы, примененные к простейшим телам, затвердевающим снаружи и изнутри, можно распространить и наход затвердевания закругленных наружных и внутренних кромок (поверхность которых близка к цилиндрической), а также выступов и углов (с шаровидной поверхностью).

Помимо того, можно по приведенной зависимости про-следить также затвердевание тел простой геометрической формы, т. е. кубов и бесконечных призм. С точки зрения закона стабильности температурного поля ход их затвердевания практически такой же, как и у бесконечного цилиндра и шара.



136 ЛИТЕРАТУРА

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Скорость образования затвердевающего слоя увеличивается в направлении к тепловой оси. Это объясняется тем, что направления наибольшего теплового потока от расплава к твердой фазе расходятся тем больше, чем меньше диаметр области расплава. У цилиндра и призмы они расходятся в одной плоскости, в шаре же и кубе - во всех плоскостях. Поэтому шар также будет затвердевать значительно быстрей, чем цилиндр того же диаметра (фиг. 74).

Из сказанного следует, что величина Y не что иное, как переменный поправочный коэффициент, который должен характеризовать изменение затвердевания в пространстве и времени.

Отбросим теперь упрощающие предположения 1 и 3, оставив допущение 2, т. е. примем, что бесконечная плита отливается при температуре заливки большей, чем температура затвердевания, причем плита находится в горизонтальном положении, так что при заливке через разные места полости формы протечет различное количество сплава. При этих условиях форма в месте подвода питания сильно прогреется, между тем как в начале потока температура формы будет низкой.

В результате затвердевание плиты будет идти в удаленных местах от питания по уравнению (24), а в местах подвода питания (фиг. 75) - по уравнению (25). Эти обстоятельства имеют очень важное значение для качества внутренней части отливки (см. ниже).

Если отказаться от всех упрощающих предположений, то для затвердевания бесконечной плиты будет справедливо обычное уравнение (25)

причем значение оp будет в разных частях отливки различным в зависимости от конфигурации потока. Для цилиндра и шара

Периодическое затвердевание. У очень массивных отливок, объем которых близок к объему формы или даже превышает его, может иметь место так называемое периодическое или прерывистое затвердевание.

После заливки расплава (стали) в результате большого температурного перепада форма в первые моменты будет отводить тепло быстро, вследствие чего скоро образуется затвердевшая металлическая корка определенной толщины.В этот период тепловой поток в форму Qф больше, чем изнутри отливки к поверхности Qo (фиг. 76). Однако форма относительно быстро насытится теплом и тепловой поток в форму ослабеет, так что с определенного момента 1Qф<Qo т. е. тепловой поток Qo будет превышать Qф.

Затвердевшая корка толщиной о1 которая образовалась к моменту 1, начнет опять расплавляться. Если состояние, при котором Qф<Qo, продлится относительно долго, расплавится вся корка, после чего изотерма затвердевания переместится на определенную глубину в форме. В этот период расплав может проникнуть в форму через трещины в краске и отливка получится с пригаром. Только когда снова ослабеет тепловой поток изнутри к поверхности и восстановится состояние Qф>Qo, т. е. в момент 2, отливка начнет окончательно затвердевать (фиг. 76, а). Моментом 2 оканчивается стадия фp.

136 ЛИТЕРАТУРА

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Для сравнения на фиг. 76, б приведена схема изменения Qо и Qф у обычных отливок.

Периодическое затвердевание может происходить и тогда, когда расплав протекает через корку сплава, перед тем затвердевшую.

Константа последовательного затвердевания. Константа последовательного затвердевания k характеризует скорость затвердевания. Обратим внимание на ее численное значение (без корректирующей величины Y), которое может быть определено из уравнения



Здесь tзатв - температура затвердевания сплава, °С; tф - температура формы, °С; bф- теплопроницаемость формы, ккал/м2·час1/2·град;

Q-теплосодержание сплава выше температуры затвердевания, ккал/м3:

Q = г [с (tзал - tсол) + W] [ккал/м3], (29)

где г - удельный вес расплава, кг/м3; с - удельная теплоемкость расплава, ккал/кг·град; W - теплота затвердевания, ккал/м3; tзал- температура заливки, °С; tсол - температура солидуса °С.

Уравнение (28) показывает влияние свойств сплава (Q, tзатв) и свойств формы (bф, tф). Чем выше температура затвердевания сплава, чем меньше теплосодержание при заливке, чем больше bф и чем ниже tф, тем быстрей затвердевает сплав в форме. У данного сплава можно до известной степени влиять на скорость затвердевания путем изменения температуры заливки, от которой зависит величина Q, выбора материала формы (bф) и исходной температуры формы (tф), а возможно, и выбора техники заливки, которая определяет степень протекаемости, зависящую в свою очередь от tф.

Уравнение для k не учитывает фактора конфигурации. Однако видно, что в наружных кромках и углах отливка затвердевает быстрей, чем при ровных стенках и внутренних кромках и углах (см. величину Y).

Приведенные выше закономерности не справедливы для случая, когда отливка охлаждается принудительно (потоком воздуха или воды), что позволяет сократить время затвердевания.

Ход двухфазного затвердевания

Ход затвердевания основных (геометрически простых) тел. Проследим ход двухфазного затвердевания расплава, сделав следующие упрощающие предположения: 1) температура заливки tзал<tликв; 2) отливка - бесконечная плита; 3) с момента контакта с формой сплав не течет.

Если учесть все три упрощающих предположения, затвердевание пойдет по изоликвиде по уравнению

где оил - расстояние изоликвиды от поверхности отливки за время ф, м; kил - константа затвердевания по изоликвиде, м/час1/2.

136 ЛИТЕРАТУРА

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Ход затвердевания по изосолиде выразится уравнением

где оис - расстояние изосолиды от поверхности отливки за время ф, м;

kис - константа затвердевания по изосолиде, м/час1/2.

136 ЛИТЕРАТУРА

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/



Эти уравнения графически выражены на фиг. 77 для отливки в виде бесконечной плиты. Из фиг. 77 видно:

оил = оис + д, (32)

где д - ширина двухфазной зоны. Поэтому можно написать

Из хода соответствующих кривых и из вычисленного уравнения

следует, что ширина двухфазной зоны во времени увеличивается. Увеличивается она, таким образом, и в пространстве с приближением к тепловой оси. Величина д равна

Из уравнения и графика следует: 1) величина kил больше kис; 2) величина д увеличивается во времени, а следовательно, и по глубине.

Из графика следует, что время затвердевания по изоликвиде фил меньше, чем по изосолиде фис, т. е. чем время полного затвердевания.

Ход затвердевания по изоликвидам и изосолидам для бесконечного цилиндра и шара схематически представлен на фиг. 78. Сказанное о периодическом последовательном затвердевании (без образования двухфазной области) справедливо и для периодического двухфазного.

Некоторые значения константы затвердевания приведены в табл. 4.

Таблица 4

Некоторые значения констант затвердевания

Материал отливки	Материал формы	Константа затвердевания k, м/час1/2
Серый чугун	Песчаная форма	0,04
	Кокиль (чугунный)	0,17
Белый чугун	Песчаная форма	0,04
	Кокиль (чугунный)	0,15
Сталь	Песчаная форма	0,06
	Кокиль (чугунный)	0,20
Алюминий	Кокиль (чугунный)	0,24
Цинк	Стальная форма	0,21
Латунь	Песчаная форма	0,13
	Кокиль (чугунный)	0,29
	Медный кокиль с охлаждением проточной водой	0,325

Ширина двухфазной зоны. В двухфазной зоне образуются отдельные первичные кристаллы, ликваты и такие дефекты, как мелкие усадочные раковины (рыхлость), трещины и т. п.

136 ЛИТЕРАТУРА

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Таким образом, двухфазная зона служит источником многих осложнений. Чем шире двухфазная зона, тем значительнее эти осложнения.

При последовательном затвердевании эти проблемы практически отсутствуют.

В связи со сказанным стремятся разными путями как можно больше сузить двухфазную зону. Для этого надо знать факторы, от которых зависит ширина д двухфазной зоны.

а. Свойства сплава. Величина д тем меньше:1) чем ?же интервал затвердевания сплава (см. фиг. 72);2) чем меньше теплопроводность сплава (чем меньше разница температур, тем больше д) (фиг. 79); 3) чем меньше удельная теплоемкость сплава и 4) чем ниже температура заливки сплава.

б. Форма. Величина д тем меньше: 1) чем выше теплопроницаемость формы (более резкая разница температур в отливке) (фиг. 80); 2) чем ниже начальная температураформы и 3) чем

136 ЛИТЕРАТУРА

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/



136 ЛИТЕРАТУРА

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

в. Конструкция отливки. Ширина двухфазной зоны д мала в углах и наружных кромках, больше в ровных стенках и велика в вогнутых стенках и поднутрениях (фиг. 81).

Помимо этого, ширина двухфазной зоны увеличивается с приближением к тепловой оси.

Для данного сплава из всех приведенных факторов можно оказывать влияние до некоторой степени только на факторы «а4», «б» и «в» (в последнем случае за счет увеличения радиуса закругления внутренних кромок и углов). На ширину двухфазной зоны большое влияние оказывает принудительное охлаждение.

Надо учитывать, что у массивных отливок, затвердевающих в вертикальном положении, конвекционные потоки расплавляют кристаллические скелеты при изоликвиде, так что этим самопроизвольно сужается двухфазная зона.

Наиболее эффективный способ сузить двухфазную зону-нарушить кристаллизацию (см. выше).

Изучение хода затвердевания

Методы изучения хода затвердевания можно разделить на прямые, косвенные и вспомогательные.

Прямые методы. Сюда относится прежде всего метод испытания выливанием, не требующий особых измерительных устройств. Обычно им пользуются при отливке плиты. Отливают плиту с прибылью (фиг. 82), а спустя определенное время форму переворачивают и выливают свободный расплав, а также расплав жидко-твердой части. Затем оставшуюся затвердевшую корку разрезают по оси (фиг. 82, справа), а в месте, указанном стрелками, измеряют толщину затвердевшей корки о. Зная величины о и ф, вычисляют константу затвердевания k. Ее численное значение находится между kил и kис. Опыт можно повторить для другого значения ф и снова определить величину k.

Испытания выливанием дают тем менее точные результаты, чем шире двухфазная зона. Кроме того, при широкой двухфазной зоне вследствие неровной поверхности корки не удается.

Более точен, но требует специального оборудования способ термометрии, которым можно установить полностью ход затвердевания по изосолиде и изоликвиде. При этом методе надо иметь некоторое количество термопар с компенсационными проводами и с регистрирующим устройством, т. е. так называемый самопишущий пирометр. Фиг. 83 показывает принцип действия этого устройства. Данноеустройство имеет, например, три термопары. По кривым охлаждения, записанным при его помощи, можно в любой момент построить температурное поле отливки и относительно точно определить положение изоликвид и изосолид в затвердевающей отливке.

В последнее время разработан метод изучения хода затвердевания при помощи так называемых меченых атомов другого металла - радиоизотопов, по распределению которых в затвердевшей отливке можно достаточно точно судить о ходезатвердевания.

Косвенные методы. Измерения температуры у массивных отливок из жаропрочных сплавов, например из стали, сопряжены с трудностями, поскольку они требуют надежной защиты термопар. Но, в сущности, можно измерить изменения температурного поля формы, а из них математически вывести ход затвердевания отливки. Перспективен метод подобия. Тепловой поток в отливке и в форме подчиняется, по существу, тем же законам, что и поток воды или электрический ток. Поэтому на основе правильно направленного потока воды или тока можно судить об изменении температурного поля отливки, а тем самым и о ходе затвердевания. Здесь, однако, нужен математический пересчет на основе сопоставимых безразмерных критериев (гидравлическое и электрическое подобие). Изучение затвердевания жаропрочных сплавов связано с трудностями и большими затратами, в связи с чем прибегают к изучению затвердевания отливок, используя некоторые неметаллические материалы, например смеси стеарина с парафином. Но пока еще этот способ моделирования не дал устойчивых результатов для реальных отливок.

Вспомогательные методы. О ходе двухфазного затвердевания можно убедиться также и другим путем. В определенный момент затвердевающую отливку подвергают вибрации, спустя некоторое время вибрацию повторяют. Затем разрезают отливку и производят травление. На травленом разрезе обнаруживается зона нарушенных дендритов, показывающая, какой толщины был затвердевший слой в соответствующие моменты.

У отливок с открытой верхней прибылью о толщине затвердевшего слоя можно судить, закладывая в расплав металлический штырь так, чтобы он коснулся твердой фазы. По положению его верхнего конца делают вывод о толщине затвердевшего слоя.

В действительности методов изучения хода затвердевания значительно больше, чем здесь приведено. Все они имеют свои положительные и отрицательные стороны. Относительно наиболее удобен, универсален и точен метод измерения температуры.

5. ВРЕМЯ ЗАТВЕРДЕВАНИЯ ОТЛИВОК

Ход затвердевания уже определяет время затвердевания отливки. Однако часто нет необходимости изучать весь ход затвердевания отливки, достаточно установить только практическую величину периода затвердевания или некоторой его части. Для этой цели можно использовать полуэмпирическое уравнение Хворинова

где фзатв - время затвердевания отливки или какой-либо ее части, час;

R - приведенная толщина отливки или ее части, м

[R = V (объем)/F(поверхность)];

k - константа затвердевания (см. выше).

Уравнение (35) для фзатв справедливо для массивных отливок, у которых нельзя пренебречь ни одним размером. Для отливок типа плит достаточно заменить величину R величиной s/2, где s - толщина стенки в метрах. Такимобразом, период затвердевания плиты равен

Приведенную толщину у пруткообразных отливок можно установить как отношение поперечного сечения F прутка к его периметру U, т. е. Rпp = F/U.

Время затвердевания прутка составит

Для некоторых одинаковых отливок, например стальных слитков, период затвердевания можно определить по еще более простому уравнению Тагеева фзатв = 0,112r2, (38) где r - половина толщины слитка, см.

Если известны константы затвердевания по изоликвидам kил и изосолидам kис, можно определить и период затвердевания.

Большое значение также имеет и время затвердевания отдельных частей отливки. Оно позволяет выяснить, какие части надо снабжать прибылью и какие не надо. Период затвердевания самой толстой части отливки практически равен периоду затвердевания всей отливки, в связи с чем достаточно учесть только это время, так как для толстой части легче установить величину R.



В. ЯВЛЕНИЯ, СОПРОВОЖДАЮЩИЕ ЗАТВЕРДЕВАНИЕ ОТЛИВКИ

Во время затвердевания внутри отливки происходит ряд нежелательных процессов, которые могут вызвать: 1) образование усадочных полостей, так называемых усадочных раковин (этот процесс называют усадкой); 2) выделение газов из затвердевающей отливки, обусловливающее возникновение эндогенных, или природных, газовых раковин;3) образование ликватов в двухфазной зоне (этот процесс называют ликвацией).

1. ОБРАЗОВАНИЕ УСАДОЧНЫХ РАКОВИН В ОТЛИВКАХ [6, 17, 25, 32, 33]

Образование усадочных раковин в отливках является следствием объемных изменений расплава, изменений при смене агрегатного состояния, а также объемных и размерных изменений в твердом состоянии, одновременно происходящих в период затвердевания отливки. В большинстве случаев это уменьшение объема во времени с понижением температуры, т. е. усадка. Однако у некоторых сплавов существует и временное увеличение объема, т. е. расширение. Поэтому в дальнейшем оба явления именуются общим термином «усадка», но различается усадка положительная (собственно усадка) и отрицательная (расширение).

Классификация усадки и основные понятия

Усадка в обычном понимании всегда означает уменьшение объема отливки при охлаждении; она характеризуется уменьшением объема в определенном температурном интервале. Объемная усадка протекает в жидком состоянии, при изменении агрегатного состояния и в твердом состоянии.

Усадка в жидком состоянии характеризуется относительным уменьшением объема (в %/град) в рассматриваемом интервале температур (t1 - t2). В этом случае V1 - первоначальный объем расплава при температуре t1, V2 - объем расплава при температуре t2. Усадка расплава проявляется в понижении его зеркала.

Усадка при изменении агрегатного состояния есть результат перехода из жидкого состояния в твердое, который протекает при одной температуре в чистых металлах и эвтектических сплавах, в интервале температур в других сплавах: при более высокой температуре (ликвидус) ближе к поверхности, при более низкой температуре (солидус) - у тепловой оси. Изменение агрегатного состояния проявляется в снижении зеркала расплава, однако выражается опять-таки объемно, т. е. в процентах на 1°.

Надо различать две стадии процесса усадки твердой фазы: 1) при затвердевании объем твердой фазы увеличивается за счет жидкой, однако одновременно твердая фазаиспытывает усадку,

т. е. с понижением температуры уменьшаются параметры кристаллической решетки, а значит, уменьшаются и наружные размеры твердой фазы; 2) по окончании затвердевания объем твердой фазы непрерывно уменьшается; при дальнейшем охлаждении происходит только уменьшение атомных параметров, а в связи с этим и наружных размеров.

Хотя усадка твердой фазы также объемная, выражается она изменением наружных размеров затвердевшей отливки во времени (т. е. с понижением температуры) в мм/мм·град или в %/°С. Вследствие этого ее называют линейной усадкой. Отсутствие указания на определенный интервал температур означает, что рассматривается интервал от солидуса до комнатной температуры. Это обычная линейная усадка, которая должна учитываться при установлении размеров модельной оснастки.

Сказанное относится и к расширению.

Свободная и заторможенная усадка твердой фазы

Линейная усадка начинается, когда образовалась твердая корка, как правило, на поверхности отливки. Таким образом, температуру начала линейной усадки нельзя отождествлять с температурой ликвидуса (или псевдоликвидуса), потому что она несколько ниже; с достижением комнатной температуры линейная усадка прекращается во всех частях отливки.

Абсолютная объемная усадка твердой фазы в интервале температур t1 - t0 может быть найдена из уравнения

V1 = V0 [1 + бV (t1 - t0)] [м3], (39)

где V1 - объем твердой фазы при температуре t1;

V0 - объем твердой фазы при температуре t0;

бV - средний коэффициент объемной усадки твердой фазы в интервале температур t1 - t0.

Относительная объемная усадка твердой фазы еV, определяется по формуле

для данного интервала температур, причем еV = еV (t1 - t0).

Абсолютная линейная усадка твердой фазы выражается изменением длины:

l1 = l0[1 + бl(t1 - t0)] [м], (41)

где l1, l0 - длины при температурах t1, t0;

бl- средний коэффициент линейной усадки твердой фазы в

интервале температур t1 - t0.

Относительная линейная усадка еl составит



причем еl = бl (t1 - t0).

Отношение между еV и еl при свободной (неторможенной) усадке

еV = 3еl. (43)

Свободной (неторможенной) усадкой сплавов называется усадка, которая не встречает сопротивления. В этом случае твердая фаза в отливке имеет такую же относительную усадку, как тот же сплав в отдельном образце, т. е. физически значения тепловой усадки сплава и отливки из того же сплава одинаковы.

В действительности абсолютно свободной усадки не существует. Всегда имеется какое-то умеренное торможение, даже когда торможение вызывается только трением отливки, испытывающей усадку, о поверхность фазы.

Кривые почти свободной усадки некоторых железных сплавов приведены на фиг. 84, а. У аустенитных сталей усадка непрерывная, у сталей феррито-перлитных вся усадка слагается из усадки аустенита до перлитного превращения (т. е. в области г-железа) и усадки перлита после перлитного превращения (т. е. в области б-железа). Превращение г-железа в б-железо сопровождается расширением. Подобным образом происходит усадка и белого чугуна. У серого чугуна и чугуна с шаровидным графитом в доперлитной области сначала происходит расширение в связи с графитизацией, а иногда и с другими процессами, так называемое предусадочное расширение. Только после него происходит усадка.

Кривые свободной усадки начинаются при температуре солидуса и заканчиваются при комнатной температуре.

136 ЛИТЕРАТУРА

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Поэтому расстояние по вертикали от их начала до конца представляет почти свободную усадку этих сплавов (справа). Если свободной усадке препятствует форма или стержень, возникает механическое торможение усадки. Если же вследствие неравномерного температурного поля отливки одна часть отливки препятствует усадке другой части, то речь идет о тепловом торможении.

На фиг. 84, б пунктиром изображены кривые торможения усадки соответствующих сплавов. Из них видно, что как расширение, так и усадка заторможены, что сказывается на конечных размерах отливки.

Чем толще стенки, отливки, тем ближе величина заторможенной усадки к величине почти свободной усадки (усадочные силы превышают внешнее сопротивление усадке).

Увеличение усадочной раковины в отливке [1]

Усадочные раковины в отливках - это полости, возникающие вследствие усадки при затвердевании. Образование их можно видеть на фиг. 85, где представлены четыре стадии. На стадии а полость формы заполнена расплавом, залитым при температуре ликвидуса, так что расплав начинает затвердевать сразу же после контакта с формой, а затем затвердевает постепенно. На стадии б затвердевает корка - получается своего рода закрытый сосуд, внутри которого заключен расплав. По мере охлаждения происходит усадка расплава и затвердевшей корки, а также имеет место уменьшение объема при изменении агрегатного состояния (на плоскости кристаллизации). Усадка расплава и уменьшение объема при переходе из жидкого состояния в твердое превышают усадку корки (т. е. уменьшение сечения в свету). Поэтому в определенный момент расплав отделяется поддействием силы тяжести от верха затвердевшей корки и опускается (стадия в). Над расплавом остается полость - закрытая усадочная раковина (стадия г). В образовавшейся раковине в отливках из дегазированных сплавов создается разрежение, вследствие чего верхняя тонкая корка может прогнуться внутрь раковины, как это показано пунктирными линиями на фиг. 85, в и г. Таким образом, усадочная раковина состоит из наружной (впадины) и внутренней частей.

Чтобы не допустить образования в отливке усадочной раковины, надо к отливке присоединить резервуар сплава - прибыль (стадия д), из которой под действием силы тяжести расплав переместится в затвердевающую отливку. Усадочная раковина в этом случае образуется только в прибыли, которую отделяют от отливки.

Относительная величина усадочной раковины различна у разных сплавов. Очень широки интервалы значений и для сплавов одного типа. Так, например, объем усадочной раковины у стали составляет от 3 до 10% начального объема расплава, у серого чугуна 1,5 - 2,5%, у модифицированного чугуна 2 - 3,5%, у белого чугуна 2,5 - 6%, у чугуна с шаровидным графитом 0 - 13%. Большой разброс этих значений связан со сложностью процесса, который зависит от следующих факторов.

Материал отливки. Сравнительно малая разница в химическом составе сплавов одного типа; разное содержание газов; у чугунов весьма различный ход графитизации; разная температура заливки; различные теплофизические свойства.

Форма. Податливость под давлением сплава; расширение формы; ее прочность и теплофизические свойства. Определенную роль играет техника формовки и заливки.

Конструкция отливки. Стойкость к деформации (жесткость или податливость) и величина последней.

Приведенные три основных фактора проявляют себя одновременно, и их влияние алгебраически складывается.

При определенных обстоятельствах получается малая, при других - большая усадочная раковина. Предотвратить образование усадочных раковин невозможно, но в наших силах так управлять температурным и силовым полями отливки, чтобы усадочные раковины получались только в прибылях.

Усадочная раковина образуется в результате комбинированной объемной усадки, происходящей в период затвердевания. В это время сосуществуют: жидкая фаза, усадка которой проявляется в опускании уровня, и твердая фаза, усадка которой проявляется в уменьшении наружных размеров отливки. Кроме того, на плоскости кристаллизации, т. е. там, где жидкая фаза переходит в твердую, изменение агрегатного состояния приводит к усадке, проявляющейся в опускании уровня.

Усадка заканчивается, когда затвердевает последняя капля расплава. Менее определенным является начало затвердевания. Это зависит прежде всего от продолжительности периода перед затвердеванием фр (см. выше), когда уровень расплава в прибыли опускается. Только после получения литейной корки снизу и по бокам отливки (фиг. 86) начинает образовываться впадина - усадочная раковина. Предполагается, что зеркало металла в прибыли должно иметь надежную тепловую защиту, чтобы расплав здесь не затвердевал во время образования усадочной раковины. Ее форма и величина - результат одновременно происходящей усадки жидкой и твердой фаз.

136 ЛИТЕРАТУРА

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Некоторые исследователи принимают за усадочную раковину все образовавшееся пространство, другие - только измеряемую полость - впадину. Уменьшение объема ДVзатв при изменении агрегатного состояния нельзя принимать за объем усадочной раковины Vур, потому что

Vзатв = Vур + Vпр, (44)

где Vпр - объем, освободившийся перед началом образования усадочной раковины (фиг. 86). Прибыль в форме, разумеется, должна иметь такие размеры, чтобы она включала Vпр + Vyp.

Чем больше Vпр, тем меньше, как правило, может быть прибыль на отливке.

Ход усадки неграфитизирующихся и графитизирующихся сплавов [32, 33]

Увеличение объема усадочной раковины трудно описать математическими уравнениями. Кроме того, неизвестны точные значения соответствующих материальных констант.

Для понимания процесса усадки подходит предложенный автором графический метод, наглядно связывающий усадочные явления, происходящие при затвердевании сплавов.

Имеются три формы усадки: 1) усадка расплава; 2) усадка при изменении агрегатного состояния; 3) усадка твердой фазы. Условно обозначим соответствующие величины цифрами I, II и III. Факторы I и II способствуют ускорению освобождения пространства, т. е. ускорению опускания верхнего уровня расплава. У преобладающего большинства сплавов при обычных производственных условиях действуют все три фактора, но усадка твердой фазы ослабляет снижение уровня расплава, т. е. уменьшает прирост объема раковины в тем большей степени, чем эта усадка больше.

Из сказанного следует, что объем усадочной раковины Vур прямо пропорционален величинам I, II и обратно пропорционален величине III:

Может, конечно, быть, что I + II = III; в этом случае усадочная раковина вообще не образуется. В ограниченном числе случаев величина III может превысить (I + II), тогда не только не образуется усадочной раковины, но при затвердевании определенная часть жидкой фазы выдавится из отливки и уровень будет подниматься внутри твердой фазы.

Посмотрим, как величины I, II и III изменяются во времени, чтобы оценить рост усадочной раковины. Изменение отдельных видов усадки схематически показано на фиг. 87. Цифры на оси времени означают: 1 - момент заливки, 2 - достижение температуры ликвидуса, 3 - достижение температуры затвердевания корки около верхнего уровня, т. е. температуры начала усадки, 4 - конец затвердевания, 5 - начало выделения графита из эвтектики (для чугуна).

136 ЛИТЕРАТУРА

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Усадка расплава а будет идти приблизительно по кривой 1 - 4? (фиг. 87, а). Усадка при изменении агрегатного состояния (фиг. 87, б) начнется в момент 2, т. е. при температуре ликвидуса, прежде всего на границе твердой фазы и расплава. Ход усадки при изменении агрегатного состояния изображается кривой 2 - 4? (фиг. 87, б). Свободная усадка затвердевшей корки начинается в момент 3, т. е. в момент начала образования усадочной раковины, и следует свободной размерной усадке отливки с понижением температуры, т. е. во времени. Объем «внутреннего просвета» твердой корки - «резервуара» - уменьшается по кривой 3 - 4? (фиг. 87, в).

Усадки всех трех видов происходят одновременно, в связи с чем в каждый момент их можно алгебраически сложить по уравнению

Vур = const·(I+II - III). (46)

Такое сложение координат кривых приведено на фиг. 87, г. Результирующая усадка идет по ломаной кривой 1 - 2? - 3? - 4??. Разность координат точек 3? и 4?? пропорциональна величине усадочной раковины, т. е. представляет собой f(Vур), а ход этой кривой схематически изображает увеличение объема усадочной раковины во времени.

Может случиться, что усадочная раковина вообще не образуется (фиг. 88, а). Усадка при изменении агрегатного состояния составляет около 3 об.%, усадка I и особенно усадка III сильно различаются у разных сплавов. Если величины I и II не изменяются, а III уменьшается, объем усадочной раковины увеличивается в соответствии с уравнением (46). ПриIII = 0 объемусадочнойраковины будет большим (фиг. 88, б)

Vур = const·(I + II)

Если же величины I и II не изменяются, а величина III становится отрицательной, т. е. имеет место расширение твердой фазы после затвердевания (фиг. 88, в), то

Vур = const·(I+ II + III), (47)

что приведет к образованию еще большей усадочной раковины, чем в предыдущем случае. Такие явления имеют место у чугуна с шаровидным графитом, обладающего большим предусадочным расширением.



136 ЛИТЕРАТУРА

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Если выделение отдельных фаз во время затвердевания сопровождается изменением объема, это отразится и на ходе кривых усадки. Так, например, у серого чугуна выделение графита из эвтектики происходит с тем большим увеличением объема, чем больше эвтектики в чугуне и чем медленней чугун остывает.

Чугуны а, б, в содержат различные количества эвтектики. У серого чугуна графит выделяется главным образом из расплава, причем объем жидкой фазы увеличивается. Поэтому выделившийся графит будет способствовать уменьшению усадочной раковины. На фиг. 89 этому виду изменения объема соответствуют кривые II? (в направлении вверх, поскольку речь идет о расширении).



136 ЛИТЕРАТУРА

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размер усадочной раковины у разных чугунов различен в соответствии с ходом кривых II. При этом твердая фаза во время затвердевания отливки обычно или не испытывает усадки, или умеренно расширяется [33] (предусадочное расширение), а иногда она подвергается умеренной усадке, т. е. изменение объема твердой фазы составляет ± III.

Таким образом, окончательная схема будет следующей:

Vур = соnst·(I + II - II? ± III). (48)

У чугуна а (фиг. 89), затвердевающего серым, можно предположить, что III = 0, т. е. что незначительная графитизация в твердой фазе почти скомпенсировала линейную усадку металлической основы, так что

Vур = соnst·(I + II - II?).

Эта алгебраическая сумма приведена на фиг. 89, а. Она дает определенный объем усадочной раковины. Вначале объем растет, затем при выделении графита из эвтектики он уменьшается. Следовательно, окончательный объем меньше, чем был перед выделением графита из эвтектики.

У чугуна б увеличение объема II? выражено более отчетливо (фиг. 89) и имеется подлинное предусадочное расширение. Окончательный объем усадочной раковины меньше, чем в чугуне а, причем объем изменяется во времени тоже прерывисто.

Чугун в (эвтектический) испытывает подлинное предусадочное расширение III, и из эвтектики графит выделяется в течение всего периода затвердевания. В этом случае усадочная раковина не образуется, потому что препятствующие усадке факторы преобладают над способствующими ей, т. е. I + II + III < II?.

Влияние основных факторов на образование усадочной раковины

Разные металлы, кристаллизующиеся в кубической системе, обладают практически одинаковой усадкой при изменении агрегатного состояния (II). Но общая усадка у них различна в зависимости от того, какое влияние на

изменение объема оказывают стадии I и III. При этом имеются в виду свободные объемные изменения, а также термически и механически заторможенные. Кроме того, принято, что расплав несжимаем в условиях образования усадочной раковины.

Усадка жидкой фазы (I). Все факторы, уменьшающие усадку жидкой фазы, способствуют уменьшению объема усадочной раковины. К ним относятся следующие факторы.

Со стороны сплава:

1) Дегазация, иногда многократная переплавка сплава;

2) Большой интервал затвердевания, приводящий к малой сосредоточенной усадочной раковине и к большей рыхлости (см. ниже);

3) Выделение из жидкой фазы твердых фаз, сопровождающееся увеличением объема, как, например, графита в сером чугуне.

Со стороны конструкции отливки и формы не имеется факторов, влияющих на общую усадку жидкой фазы.

Усадку жидкой фазы следует рассматривать как свободную, потому что мгновенный истинный и удельный объемы жидкой фазы при существующих условиях определяются только температурой, а не давлением.

Усадка твердой фазы (III). Факторы, которые увеличивают усадку твердой фазы при затвердевании, содействуют уменьшению объема усадочной раковины, и наоборот. К ним относятся следующие факторы.

Со стороны сплава:

1) Чем больше свободная усадка твердой фазы во время затвердевания, тем меньше усадочная раковина. Усадочная раковина будет довольно велика, если вместо свободной усадки наступит свободное (предусадочное) расширение твердой фазы. Этого может не случиться только при выделении другой фазы, связанном с увеличением объема твердой фазы. Здесь имеет место свободное расширение твердой фазы, т. е. идеальное состояние, как, например, у чугуна с шаровидным графитом.

2) Большой удельный вес сплава способствует высокому давлению изнутри на затвердевшую корку и растягивает ее, вследствие чего усадочная раковина увеличится.

Со стороны формы:

1) Малая прочность формы вызывает ее выпучивание при заливке, что увеличивает объем расплава в форме. Это само по себе приводит к большей усадочной раковине, даже если в дальнейшем ничто не влияет на тепловую дилатацию.

2) Если усадка формы ведет к уменьшению ее размеров в свету, возможны такие случаи:

а) Затвердевшая поверхностная корка сжимается быстрей, чем уменьшается размер формы в свету. В этом случае, обычном для сплавов, у которых твердая фаза тотчас после своего образования подвержена сильной усадке, наблюдается стремление к образованию зазора между отливкой и формой, иначе говоря, усадка формы не влияет на усадку отливки. Но в этом случае на усадку может повлиять гидростатическое давление расплава внутри затвердевшей корки. Большое давление растягивает затвердевшую корку изнутри, и она не может свободно сжиматься, а это приводит к увеличению объема усадочной раковины.

б) Если затвердевшая корка отливки сжимается медленней, чем уменьшается размер формы в свету, с самого начала форма своей рабочей поверхностью будет давить на затвердевшую корку и подпирать ее. В этом случае в равновесии находятся следующие силы. В направлении к центру отливки действует (в сторону уменьшения усадочной раковины) свободная усадка корки и усадка формы, а в направлении от центра отливки (в сторону увеличения усадочной раковины) - гидростатическое давление; иногда это давление повышенное, если размер в свету корки уменьшается быстрей, чем объем расплава внутри нее.

в) Усадка затвердевшей корки и увеличение размера в свету формы ведут к большей усадочной раковине, если корка может растягиваться под влиянием сил, давящих на нее изнутри (см. выше).

г) Предусадочное расширение затвердевшей корки и увеличение размера в свету формы ведут к большей усадочнойраковине.

д) Предусадочное расширение затвердевшей корки и уменьшение размера формы в свету при достаточной прочности формы ведут к значительно меньшей усадочнойраковине, чем в случае г). Так, усадка чугуна с шаровидным графитом в металлических формах меньше, чем в песчаных, потому что его предусадочное расширение сильно тормозится.

Со стороны техники заливки:

Чем больше время заливки перекрывает время затвердевания, тем меньшей получится усадочная раковина.

Со стороны конструкции отливки:

1) Влияние фактора конфигурации. Поверхностная затвердевшая корка шаровидной отливки плохо противостоит давлению расплава изнутри и стремится растянуться, если не подпирается формой. Это справедливо для всех выступающих вверх частей отливки.

Наоборот, форма по соседству с выпуклыми частями отливки образует свод, противостоящий давлению расплава. Если форма хорошо набита, такой свод не поддается давлению расплава, хорошо сопротивляясь и предусадочному расширению у графитизирующихся чугунов, т. е. способствует уменьшению усадочной раковины. Такое свойство формы при определенной конфигурации отливки позволяет объяснить, почему некоторые отливки из чугуна с шаровидным графитом получаются свободными от усадочных дефектов и без применения прибылей (это относится к случаю большой величины отношения вогнутой поверхности к выпуклой).

Ребристая отливка, отдельные части поверхности которой образуют свод, противостоящий давлению расплава изнутри, не поддается этому давлению, и усадочная раковина при прочих равных условиях будет меньше. Если к тому же форма расширяется в сторону отливки быстрей, чем сжимается корка, усадочная раковина будет еще меньше.

2) Влияние размерного фактора. Большая высота отливки, т. е. большое гидростатическое давление жидкого металла, приводит к образованию большей усадочной раковины.

3) Влияние фактора толщины. Чем массивней отливка, тем меньше время заливки перекрывает время затвердевания и тем больше усадочная раковина.

Из всего сказанного следует, что на образование усадочной раковины оказывает влияние большое количество факторов, часто противоположных, причем не представляется возможным так организовать технологический процесс, чтобы образование усадочной раковины было всегда ограничено. Это удается только при надлежащем сплаве, конструкции отливки, технике формовки и заливки.

Остается в силе следующее общее правило: поскольку мы не можем предотвратить усадочную раковину, необходимо направить усилие на создание такого теплового и силового поля затвердевающей отливки, чтобы усадочные раковины образовывались не в отливках, а в прибылях.

Рассеянные и сосредоточенные усадочные раковины

Сделанные выше замечания об объеме усадочной раковины относились к последовательному затвердеванию. При двухфазном затвердевании внутри двухфазной зоны образуются внутри дендритные и междендритные поры в результате отделения друг от друга островков ликвирующего расплава, который продолжает подвергаться усадке. После них остаются мелкие, как правило, микроскопические поры, которые называют рассеянной пористостью.

Рассеянные поры нарушают сплошность нагруженного сечения отливки, а также могут действовать как надрезы. В обоих случаях механические свойства отливки снижаются. Общий объем усадочной раковины можно выразить так:

Vур = Vсур + УVмур, (49)

где Vсур - объем сосредоточенной усадочной раковины, а

УVмур - сумма объемов микроусадочных раковин.

Таким образом, при одинаковом общем объеме усадочной раковины чем больше Vсур, тем меньше УVмур и наоборот. Большой сосредоточенной раковины опасаться не приходится, поскольку известны пути ее перевода в прибыль. К сожалению, рассеянную пористость устранить без остатка мы не умеем, самое большее, что в наших силах, это уменьшить ее надлежащим вмешательством.

1) Рассеянная пористость бывает тем больше, чем шире двухфазная зона у затвердевающей отливки. Поэтому все средства уменьшения двухфазной зоны одновременно приводят к ограничению рассеянной пористости.

2) Чем выше давление, под которым расплав перемещается через двухфазную зону к только что затвердевшим местам, тем меньше рассеянная пористость. Если давление равно атмосферному или выше атмосферного, то оно складывается с гидростатическим давлением жидкого металла, создавая питающее давление. Ограничение рассеянной пористости приводит к увеличению объема сосредоточенной усадочной раковины.

Испытание сплавов на склонность к усадке

Для выявления склонности сплавов к усадке разработаны разные испытания.

Качественные испытания сплавов на склонность к наружной усадке, т. е. к выходу усадочных раковин наружу во внутренних кромках и углах, чаще всего производятсяпо К-образной пробе

Кнаббе (фиг. 90). Этими испытаниями объем усадочной раковины не устанавливают.

2. МЕРЫ ПРОТИВ ОБРАЗОВАНИЯ УСАДОЧНЫХ РАКОВИН В ОТЛИВКАХ

Форма и положение сосредоточенной усадочной раковины имеют гораздо большее значение, чем ее размеры. Что касается положения усадочной раковины, то всегда стремятся к тому, чтобы она получалась не в отливке, а в прибыли. Форма же усадочной раковины в прибыли должна быть такой, чтобы расход сплава на прибыль был возможно меньшим.

Добиться надлежащих положения и формы усадочной раковины можно только путем целенаправленной организации температурного и силового полей затвердевающей черновой отливки, т. е. вместе с литниками и прибылями. Для этого надо практически осуществить принцип направленного затвердевания и надлежащую эффективность действия прибылей.

На отношение ш, а тем самым и на глубину усадочной раковины можно влиять путем охлаждения отливок за счет соответствующей комбинации формовочных материалов с разной теплопроницаемостью. Этой же цели может служить и надлежащее изменение конструкции.

При определенных обстоятельствах ш не будет увеличиваться к концу затвердевания и может даже снижаться; при этом уменьшится и крутизна стенок усадочной раковины. Такие случаи весьма благоприятны при расширенной прибыли, потому что можно достигнуть небольшого остаточного веса прибыли после ее затвердевания, т. е. после того, как определенная часть расплава переместиласьв отливку (см. фиг. 96, а). При определенных условиях усадочная раковина может подучиться точно конусной (фиг. 96, б).

Если малое численное значение ш сохранится до конца затвердевания, усадочная раковина будет мелкой, а оставшаяся часть прибыли будет невелика. Таким образом, знание и использование приведенных зависимостей дают и экономические результаты.

Положение усадочной раковины. Положение усадочной раковины зависит в основном от конструкции отливки. Отливки по конструкции можно разделить на простые, представляющие собой один термический узел, и сложные - из многих термических узлов.

Отливки с равномерной толщиной стенок

У таких отливок в сечение можно вписать бесконечное количество равновеликих шаров (фиг. 97, а).

Для вертикальной плиты, отливаемой с прибылью, наиболее холодный металл после заливки будет в нижней части, а наиболее горячий - в прибыли (фиг. 97, б). Поэтому ее затвердевание от боковых стенок начнется раньше в нижней и позже в верхней части. Распределение темпера тур по тепловой оси в момент заливки характеризует кривая 1. Двухфазные зоны, подступающие с обеих сторон к тепловой оси, образуют острый угол щ, открытый в сторону прибыли (фиг. 98). Прежде всего они встречаются на тепловой оси в нижней части отливки, и дальнейшее продвижение вверх проявляется перемещением линий, пересекающих тепловую ось в направлении к прибыли, которое считается положительным. Такое затвердевание называется направленным.

136 ЛИТЕРАТУРА

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

На пересечении двухфазных зон с тепловой осью располагается область µ, в которой поступление новых порций расплава к только что затвердевшей зоне сильно затруднено (область затрудненного питания)1¹⁾У автора эта область называется областью препятствий. - Прим. перев.). Поступление новых порций расплава затруднено тем больше, чем длиннее эта область (фиг. 98).

Область затрудненного питания тем больше, чем шире двухфазная зона и чем меньше угол щ, открытый в сторону прибыли. В двухфазной зоне, особенно в области затрудненного питания, сила сцепления расплава с твердой фазой, т. е. капиллярность или смачиваемость, преобладает над весом расплава, поскольку речь идет о малом объеме расплава с большой поверхностью. Расплав,пристающий к губчатому металлическому скелету, противодействует питающему давлению. В некоторый момент питание приостанавливается до окончания затвердевания.

С областью затрудненного питания косвенно связан эффективный радиус действия прибыли. Малый размер этой области означает большой эффективный радиус прибыли. В этом случае число прибылей может быть меньше, что выгодно экономически. При данных тепловых условиях эффективный радиус прибыли тем больше, чем выше питающее давление, т. е. чем выше напор свободного расплаваи давление на его поверхности.

У одного и того же сплава при одном и том же питающем давлении область затруднённого питания тем меньше, чем больше угол щ, т. е. чем выше степень направленности затвердевания. Таким образом, эффективный радиус прибыли тем больше, чем выше относительная разница температур вдоль тепловой оси отливки.

Направленное затвердевание может в одной и той же отливке идти в вертикальном (см. фиг. 97, б), горизонтальном (см. фиг. 97, а), иногда и в наклонном положении. Оно характеризуется следующими признаками:

1) затвердевание по тепловой оси идет в направлении к прибыли;

2) область свободного расплава остается непрерывной до затвердевания его последней капли;

З) если последние доли расплава все же затвердевают в отливке, достаточно просто увеличить прибыль, чтобы полностью избежать усадочной раковины;

4) направленное затвердевание ведет к получению отливки без усадочной раковины.

При заливке плиты снизу самый холодный материал поступает в прибыль, самый горячий - в нижнюю часть отливки (фиг. 99). Отливка в верхней части затвердевает раньше, чем в нижней, причем прежде всего она затвердевает под прибылью. При массивных прибылях, у которых приведенная толщина больше, затвердевание пойдет медленней. Угол щ в этом случае направлен от прибыли. Линии пересечения двухфазных зон с тепловой осью движутся по последней в направлении от прибыли, вследствие чего такое затвердевание называют отрицательно направленным. Поскольку под прибылью отливка затвердевала раньше, под затвердевшим местом остался еще свободный и связанный (в двухфазовой зоне) расплав. Уменьшение его объема не может компенсироваться притоком расплава из прибыли, вследствие чего по тепловой оси образуется закрытая осевая усадочная раковина или сетка мелких раковин.

136 ЛИТЕРАТУРА

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

136 ЛИТЕРАТУРА

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Отрицательно направленное затвердевание характеризуется следующим:

1) затвердевание по тепловой оси идет в направлении от прибыли;

2) область расплава во время затвердевания делится на две или большее число частей;

3) при отрицательно направленном затвердевании на тепловой оси отливки возникает осевая усадочная раковина или рыхлость, которую нельзя отождествлять с рассеянной пористостью. Этот дефект нельзя устранить и при помощи более крупной прибыли.