Утворення усадочної раковини

Усадка сталевого зливка супроводжується, крім підвищення щільності металу, протіканням процесу газовиділення при переході з рідкого у твердий стан. Одночасно в процесі усадки міняються розміри і форма зливка. Якщо уявити собі виливницю, заповнену рідкою сталлю, то процес затвердіння останньої можна схематично, умовно розділити на ряд невеликих періодів (рис. 7.2). Протягом кожного з цих періодів твердіє конкретний шар металу, а рівень, що залишився в рідкому виді у частині зливка, трохи знижується внаслідок загальної усадки. Інтенсивність тепловідводу вниз (до піддона) і в сторони (до стінок виливниці) істотно вище, ніж нагору у навколишнє повітря. У результаті, в момент повного затвердіння зливка, його верх буде являти собою поглиблення, лунку. Це поглиблення одержало назву усадочної раковини. Форма і розташування усадочної раковини залежать від форми зливка й умов його затвердіння.

Виливниць з вертикальними стінками (рис. 7.2, а) не роблять, для зручності витягання зливків виливниці роблять або з розширенням нагору, або з розширенням знизу. У виливницях першого типу усадочна раковина виведена нагору (рис. 7.2, б), у виливницях другого типу останні порції металу твердіють не у верхній, а в осьовій частині зливка і усадочна раковина поширена на значну глибину (рис. 7.2, в).

Запропонована схема досить умовна. Насправді, процес усадки супроводжується деяким охолодженням металу також і у верхній частині зливка. У результаті цього над усадочною раковиною утворюється застиглий шар металу, іменований "мостом", а сама усадочна раковина складається з великої порожнини у верхній частині зливка і серії розташованих нижче невеликих порожнеч, називаних усадочною пористістю, або усадочною рихлістю. Причина утворення усадочної пористості і рихлості – відсутність рідкого металу для заповнення порожнеч, що утворюються при усадці зливка в останній момент його затвердіння. У тих випадках, коли металевий міст відокремлює усадочну раковину від атмосфери, вона заповнена газами, що виділяються при кристалізації. Головною складовою частиною цих газів є водень.

а) б) в)

Рисунок 7.2 — Вплив форми виливниці на розташування

усадочної раковини в зливку

У верхній і осьовій частинах зливка знаходяться підвищені концентрації лікватів, які внаслідок гарної змочуваності ними газових пухирів концентруються на поверхні усадочної раковини і пухирях, що складають усадочну рихлість. Тому при наступній прокатці або куванні ці пухирі не заварюються або заварюються недостатньо повно. Особливо погано заварюються газові пухирі в сталі з підвищеним вмістом вуглецю, а при змісті вуглецю більш 0,5%, узагалі не заварюються. Унаслідок цього ту частину прокатаного зливка, що відповідає розташуванню зони усадочної раковини, приходиться після прокатки відрізати і повертати на переплав. Ця частина складає 10 – 15% від маси зливка.

Такі значні коливання величини обрізу (10 – 15%) визначаються складом сталі, вимогами до її якості, технологією розливання і використанням різних прийомів для зменшення величини обрізу. В основі цих прийомів лежить прагнення подовжити термін перебування металу в рідкому стані у верхній частині зливка – так, щоб рідкий метал "підпитував" порожнечі, що утворяться при усадці, і заповнював їх собою.

Оскільки в останню чергу твердіє верхня, головна частина зливка, з цією метою використовують різні прийоми для «утеплення» верхньої частини зливка. Найчастіше використовують наступні способи.

Зменшення втрат тепла шляхом використання так називаної прибуткової надставки. Прибуткова надставка може являти собою металевий корпус, футерований з середини малотеплопровідним вогнетривким матеріалом (рис. 7.3). Вона може бути виготовлена просто з вогнетривкого матеріалу без металевого корпусу. Нарешті, вона може являти собою

а) б)

а – стаціонарна; б – плаваюча

Рисунок 7.3 — Прибуткові надставки і способи їхньої установки

просто керамічний теплоізоляційний, зроблений за формою виливниці вкладиш (рис. 7.4), що вкладається зверху в виливницю й утеплює верхню частину зливка. Цей спосіб "утеплення" головної частини зливка в даний час – найбільш розповсюджений.

Підведення додаткового тепла до головної частини зливка.

Рисунок 7.4 — Виливниця з теплоізоляційним вкладишем

Цей спосіб здійснюється різними методами: доливкою гарячої порції металу в момент, коли рівень сталі, що знаходиться у виливниці, почав внаслідок усадки знижуватися; обігрівом верхньої частини зливка газом, або електричною дугою (спосіб Н.Г. Славянова); засипанням верха зливка сумішами, які одночасно й ізолюють поверхню, і виділяють тепло (наприклад, деревним вугіллям, асбестом, сажею або деревними обпилками); застосуванням розігріваючих порошків (термітні, або люнкеритні суміші). Частіше застосовують останній метод. До складу порошків, які засипаються на поверхню зливка, входить пальна складова (алюміній, феросиліцій, деревне вугілля), окислювач (окалина, марганцева руда, іноді селітра) і інертні наповнювачі (шамот, боксит).

У випадку гарного утеплення верхньої частини зливка, розширеного догори, щільність зливка зростає, а усадочні дефекти поширюються на меншу глибину при зменшенні величини Н/D. Цим прийомом користуються у випадках виливки великих ковальських зливків, що йдуть на виготовлення відповідальних виробів (ротори турбін, електростанцій, колінчаті вали суднових двигунів, великі артилерійські снаряди, корпуси агрегатів спеціального призначення і т.п.). При цьому методі (широкий верх зливка при невеликій його висоті) маса головного обрізу, стосовно маси зливка, зростає. Однак, наступні операції зі зливком (багаторазове кування, додання металові відповідної конфігурації, складна термообробка і т.д.) настільки багато коштують, що деяке зменшення виходу придатного виправдовується високою якістю металу.