1.4. Склонность отливок к образованию усадочных раковин и пористости

Усадка — одно из основных литейных свойств сплавов. Про­цесс усадки сопровождается рядом явлений, определяющих каче­ство отливки. В первую очередь, к ним следует отнести образова­ние усадочной раковины и усадочной пористости, усадочных напряжений, горячих и холодных трещин, остаточных напряжений, формирование размеров и коробления отливок.

Различают усадку металлов и сплавов и усадку отливок. Под усадкой металлов и сплавов понимают уменьшение (в общем случае изменение) объема и размеров некоторого объе­ма металла или сплава при охлаждении в изотермических (равно­весных) условиях, когда температура одинакова в любой точке в каждый данный момент времени. Усадка сплава определяется толь­ко его физическими свойствами. Под усадкой отливок по­нимают уменьшение (в общем случае изменение) объема и раз­меров отливки из сплава, залитого в реальную литейную форму, охлаждающегося в неизотермических (неравновесных) условиях с неоднородным распределением температуры и находящегося в силовом взаимодействии с нагреваемой формой. Усадка отливки определяется не только свойствами сплава, но и неоднороднос­тью температуры и его взаимодействием с формой. Принято под­разделять усадку и сплава, и отливок на объемную и линейную.

Объемная усадка металлов и сплавов. Объемная усадка метал­лов и сплавов является не литейным, а физическим свойством. Для литейщиков представляет практический интерес не только суммарное изменение объема металла или сплава при их охлажде­нии, которое собственно и характеризует объемную усадку ме­таллов и сплавов, а его изменение в зависимости от температуры. Поэтому различают: усадку в жидком состоянии, когда температура изменяется от Т_зал до Т_л (Т_кр) (рис. 1.9); усадку затвердева­ния, когда температура изменяется от Т_л до Т_с (или Т_кр = const, рис. 1.9, а, б), и усадку в твердом состоянии, когда температура изменяется от Т_с до Т_н (где Т_н — температура окружающей среды, цеха). Следует отметить, что коэффициент объемного сжатия металла в жидком состоянии больше, чем для металла в твердом состоянии.

Рис. 1.9. Схема изменения объема при охлаждении для сплавов с Т_кр = const (а), Т_л - Т_с>0 (б) и расширяющихся при затвердевании сплавов (в):

V1, v2, v3 и v0 - объемы сплава при соответствующих температурных условиях

Описанное деление связано с практической необходимостью использовать при расчете прибылей объемную усадку затвердева­ния, реже суммарную объемную усадку в жидком состоянии и усадку затвердевания.

Прибылью называется дополнительный объем металла, зали­ваемого в форму и служащего для компенсации уменьшения объема сплава при его охлаждении (в основном при затвердевании) и вывода образующейся раковины из отливки в этот объем.

В определении усадки кроме основного термина «уменьшение» в скобках используется более общий термин «изменение», что связано с возможным увеличением объема при затвердевании (рис. 1.9, в) таких распространенных сплавов, как серые и высо­копрочные чугуны, а также таких металлов, как висмут, галлий, сурьма и литий (можно также вспомнить о расширении воды, происходящем при ее замерзании).

Чаще всего объемную усадку выражают в процентах или в до­лях единицы (в этом случае процентную величину необходимо разделить на 100).

Для схем, приведенных на рис. 1.9, объемная усадка ε_v сплавов определяется следующими выражениями:V

— в жидком состоянии (индекс «ж»);

— затвердевания (индекс «з»);

— в твердом состоянии (индекс «тв»),

где — объем сплава при Т_зал , — объем сплава при Т_л (Т_кр); —объем сплава при Т_с (Т_кр); — объем сплава после полного, охлаждения.

Общая (суммарная) усадка при охлаждении сплава от Т_зал до Т_н соответственно будет равна

, или .

Определение объемной усадки сплавов можно осуществить с помощью пикнометра, гидростатическим, дилатометрическим и другими методами, включая метод гамма-излучения. При этом чаще всего измеряют изменение удельного объема или плотности спла­ва. Графики изменения плотности в зависимости от температуры представляют зеркальное отображение приведенных на рис. 1.9 графиков изменения объема.

Рис. 1.10. Изменение плотности чугунов:

а — доэвтектического состава; б — эвтектического (околоэвтектического) серого (точки L, S, S’, Е соответствуют фазовому переходу, точка М — см. в тексте)

Зависимости плотности чугунов от температуры приведены на рис. 1.10, которые получены профессором А. С. Басиным методом просвечивания узким пучком гамма-излучения на высокотемпе­ратурном гамма-плотномере при медленном охлаждении чугунов с постоянными скоростями (3...5°С/мин).

При охлаждении доэвтектических чугунов от температуры Т_зал заливки до температуры Т_л ликвидуса (точка L на рис. 1.10, а) их плотность ρ в жидком состоянии изменяется линейно. При этом термический коэффициент объемного сжатия чугунов в жидком состоянии практически не зависит ни от температуры в ин­тервалеТ_зал... Т_л, ни от химического состава и равен (8,5... 11)х х10^-5 К^-1. Следовательно, объемная усадка доэвтектических чугу­нов и других сплавов в жидком состоянии может быть определена по уравнению

(5)

При Т_л начинается кристаллизация первичного аустенита, ко­торая заканчивается при эвтектической температуре Т_Е. Измене­ние агрегатного состояния сопровождается увеличением плотнос­ти и уменьшением объема. При Т_Е= const кристаллизуется эвтек­тика.

Белые чугуны подчиняются общей закономерности: кристал­лизуется аустенито-цементитная эвтектика, плотность возрастает до значения,соответствующего точке S. При дальнейшем охлаж­дении плотность белого чугуна увеличивается монотонно.

В серых чугунах кристаллизуется аустенито-графитная эвтекти­ка, что сопровождается не уменьшением, а увеличением объема и уменьшением плотности до значения, соответствующего точке S' (рис. 1.10, а). Кроме того, у серых чугунов и после точки S' плотность уменьшается, и происходит расширение, которое за­канчивается в точке М. Плотность серого чугуна в точке М мини­мальна. Интервал температуры T_s... T_M составляет 60 К. Это расширение профессор А. С. Басин и другие назвали «постэвтекти­ческим». Из возможных причин постэвтектического расширения были отмечены следующие:

• продолжение кристаллизации эвтектической жидкости с вы­делением графита и вытеснением остатка расплава. Это следует из рассмотрения квазибинарных разрезов диаграмм состояния мно­гокомпонентных чугунов: под влиянием Si, Mn, S, Р и других элементов процесс эвтектической кристаллизации многокомпо­нентного чугуна происходит в некотором интервале температур;

• выделение графита из первичного и эвтектического аустенита в твердом состоянии в результате резкого снижения раствори­мости углерода в аустените сопровождается увеличением объема (уменьшением плотности) чугуна.

При этом авторы считают, что фактор увеличения объема твер­дого чугуна вследствие выделения графита из аустенита имеет большее значение. Возможно также, что при эвтектической крис­таллизации наряду с аустенито-графитной эвтектикой выделяет­ся некоторое количество аустенито-цементитной эвтектики, це­ментит которой неустойчив и распадается с увеличением объема и уменьшением плотности.

Объемное изменение серого чугуна в процессах LE, ЕМ и LM можно определить (см. рис. 1.10) по уравнениям, аналогичным приведенным ранее:

;;

Регрессионным анализом были получены приближенные урав­нения для определения объемных изменений серого чугуна:

; (6)

; (7)

. (8)

Особенность кристаллизации эвтектических двойных сплавов Fe—С и многокомпонентных чугунов заключается в отсутствии скачка плотности (объема) в процессе эвтектического превраще­ния L, S, Е (рис. 1.10, б). При этом усадка не наблюдается, а расширение происходит в некотором интервале температур ниже температуры эвтектического превращения, т.е. расширение явля­ется постэвтектическим. Расширение чугунов околоэвтектическо­го состава может достигать 1,7%.

Температуру Т_л для доэвтектических чугунов можно опреде­лить по уравнению

Т_л= 1670- 124С, (9)

где С — содержание углерода (или углеродный эквивалент). Подставив значение Т_л в уравнение (8), найдем объемную усадку затвердевания серых доэвтектических чугунов

. (10)

Используя уравнения (8) и (10), можно найти, что при Т_л = 1480 К и содержании 3,73% углерода объемная усадка зат­вердевания серого чугуна будет равна нулю, если постэвтектичес­кое расширение не реализуется в изменении наружных размеров. При высоком содержании углерода объем­ная усадка будет отрицательна.

Сведения об объемных изменениях в жидком состоянии и при затвердевании важнейших металлов приведены в табл. 3.

Таблица 3